UTe₂의 재진입 초전도 상을 초음파로 포착한 대용량 증거

초록

본 연구는 0.5 K까지 냉각하고 80 T까지의 펄스 자기장을 가한 상태에서 UTe₂의 재진입 초전도(SC3) 상을 장거리 초음파(c₁₁) 모드로 측정하였다. θ₍b‑c₎ = 30° 기울기에서 c₁₁ 모드가 뚜렷한 속도 상승과 비정상적인 감쇠 증가를 보이며, Hc₂≈65 T(0.5 K)와 T≈2 K까지 지속되는 초전도 체적을 확인한다. 관측된 히스테리시스와 잔류 감쇠는 전통적인 초전도성 스트레인 결합이나 단순한 열 효과로는 설명되지 않으며, 핀된 와류 격자와 비정상적인 와류 동역학이 주요 원인일 가능성을 제시한다.

상세 분석

UTe₂는 스핀‑트리플렛 후보 물질로, 기존 연구에서 Hc₂가 파울리 한계를 초과하고 압력·자기장에 따라 다중 초전도 상이 나타나는 것으로 알려졌다. 특히 b축에 수직인 자기장(H∥b)에서는 저자기장 초전도(SC1)와 고자기장 초전도(SC2) 사이에 메타자기 전이(Hm≈34.5 T)가 존재한다. Hm을 초과하고 b축에서 약 30° 기울인 경우, SC3라 불리는 재진입 초전도 상이 나타나지만, 기존에는 주로 표면 전도도·저항·홀 효과 등 전도성 측정에 의존해 왔고, 체적(볼크) 증거는 부족했다.

본 논문은 펄스‑에코 초음파 기법을 이용해 c₁₁(전파 k∥a, 변위 u∥a) 모드의 속도(Δv/v)와 감쇠(Δα)를 동시에 측정했다. 주요 관찰은 다음과 같다.

1. H < Hm(≈41 T) 구간에서는 Δv/v가 점진적으로 감소하고, Δα는 증가한다. 이는 기존 b축 정렬 시와 유사한 전자‑스핀·격자 상호작용을 반영한다.
2. H > Hm, T ≤ 1.7 K에서는 새로운 비대칭 히스테리시스가 나타난다. 하강 파형(down‑sweep)에서는 Δv/v와 Δα가 정상 상태 대비 모두 상승하고, 상승 파형(up‑sweep)에서는 그 진폭이 현저히 작다. 이 히스테리시스는 온도와 주파수에 따라 변하며, HSC(≈Hc₂)에서 시작해 Hm까지 이어진다.
3. 주파수 의존성(70–388 MHz)과 히스테리시스 크기의 차이는 단순 열 사이클(eddy‑current heating, magnetocaloric effect)으로는 설명되지 않는다. 저자들은 보조 실험과 보조 자료(Supplement)에서 이러한 가능성을 배제하였다.
4. c₆₆(전파 k∥a, 변위 u∥b) 모드에서는 동일 조건에서 히스테리시스가 전혀 관찰되지 않았다. 이는 길이 변화(ΔLₐ)와 같은 기계적 팽창 효과가 원인이 아님을 의미한다.

이러한 결과를 바탕으로 저자들은 두 가지 가능한 메커니즘을 검토한다. 첫 번째는 초전도 주문 매개변수와 스트레인의 직접 결합(Landau‑Khalatnikov)이다. 하지만 이 모델은 감쇠 감소와 속도 감소를 예측하며, 관측된 주파수 의존성·히스테리시스를 재현하지 못한다. 두 번째는 핀된 와류 격자와 격자 결함 사이의 상호작용이다. 와류가 고정되면 압축 탄성(cᵥL)과 전단 탄성(cᵥ66)이 변하고, 이는 초음파 전파 속도와 감쇠에 직접적인 영향을 미친다. 특히 c₁₁ 모드가 압축 탄성(cᵥL)에 민감하므로, 핀된 와류 격자의 존재는 관측된 속도 상승과 감쇠 증가를 동시에 설명한다. 또한, 열보조 플럭스 흐름(TAFF) 모델을 적용하면 온도에 따른 히스테리시스의 크기와 HSC의 온도 의존성을 정성적으로 재현할 수 있다.

결과적으로, SC3 상은 단순한 표면 전도성 현상이 아니라 체적에 걸친 혼합 상태(mixed state)이며, 비정상적인 와류 핀ning과 동역학이 핵심 역할을 한다는 강력한 증거를 제공한다. 이는 UTe₂가 메타자기 양자 임계점 근처에서 새로운 스핀‑트리플렛 메커니즘을 구현할 가능성을 시사한다.