[論文レビュー] Antiferromagnetic criticality at a heavy-fermion quantum phase transition

W. Knafo, S. Raymond+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2012

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、重いフェルミオン化合物 Ce1-xLaxRu2Si2 における量子臨界現象が、非弾性中性子散乱によって確認された反強磁性臨界揺らぎによって支配されていることが示された。結果は、強い電子相関系における量子臨界定常状態を理解するための有効な枠組みとして、Hertz-Millis-Moriya スピン揺らぎ理論の妥当性を支持するものである。

ABSTRACT

The interpretation of the magnetic phase diagrams of strongly correlated electron systems remains controversial. In particular, the physics of quantum phase transitions, which occur at zero temperature, is still enigmatic. Heavy-fermion compounds aretextbook examples of quantum criticality, as doping, or the application of pressure or a magnetic field can lead to a quantum phase transition between a magnetically ordered state and a paramagnetic regime. A central question concerns the microscopic nature of the critical quantum fluctuations. Are they antiferromagnetic or of local origin? Here we demonstrate, using inelastic neutron scattering experiments, that the quantum phase transition in the heavy-fermion system Ce1-xLaxRu2Si2 is controlled by fluctuations of the antiferromagnetic order parameter. At least for this heavy-fermion family, the Hertz-Millis-Moriya spin fluctuation approach seems to be a sound basis for describing the quantum antiferromagnetic-paramagnetic instability.

研究の動機と目的

• 重いフェルミオン化合物における量子臨界定常揺らぎの微視的起源を特定すること。
• これらの系における量子臨界定常状態が反強磁性揺らぎか局所的起源の揺らぎかによって生じるかという長年の議論を解消すること。
• Ce1-xLaxRu2Si2 における磁気秩序状態と常磁性状態の間の量子相転移の性質を調査すること。
• 現実の重いフェルミオン系において、Hertz-Millis-Moriya スピン揺らぎ理論の妥当性を検証すること。

提案手法

• 量子臨界定常点に近い状態を調査するため、Ce1-xLaxRu2Si2 の単結晶を用いて非弾性中性子散乱実験を実施し、動的スピン揺らぎを測定した。
• 量子臨界定常点付近における運動量およびエネルギー依存のスピン励起スペクトルを測定した。
• スピン応答のスケーリング行動を分析し、臨界定数と揺らぎの対称性を同定した。
• 量子臨界定常状態の Hertz-Millis-Moriya 理論の予測と実験データを比較した。
• Laドーピングの調整により、量子臨界定常点に接近し、臨界定常領域にアクセスした。
• 有限サイズスケーリングおよび動的スケーリング崩壊を用いて、臨界定常行動を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ce1-xLaxRu2Si2 における量子相転移を駆動する主要な揺らぎモードは何か？
• RQ2 この重いフェルミオン系における量子臨界定常行動は、Hertz-Millis-Moriya スピン揺らぎ理論に適合するか？
• RQ3 系における臨界定常揺らぎは反強磁性的性質を示すか、それとも局所的起源由来か？
• RQ4 系が量子臨界定常点に近づくに従い、スピン励起スペクトルはどのように変化するか？
• RQ5 量子臨界定常点付近におけるスピン揺らぎの動的スケーリング行動はいかなるものか？

主な発見

• スピン励起スペクトルは、反強磁性波数ベクトルでべき乗的発散を示し、反強磁性秩序パラメータの臨界定常揺らぎを示している。
• 動的スピン応答は、Hertz-Millis-Moriya 理論と整合するスケーリング崩壊を示し、スピン揺らぎの関連性を確認した。
• 臨界定常散乱強度は、温度および運動量移動の両方に特徴的な反強磁性量子臨界定常状態に従ってスケーリングした。
• 観測された臨界定数は、反強磁性揺らぎによって駆動される量子臨界定常点の理論的予測と良好に一致した。
• 局所的起源の揺らぎの証拠は得られなかったが、データは明確にスピン揺らぎ駆動の量子臨界定常点を支持した。
• 本結果により、Ce1-xLaxRu2Si2 が重いフェルミオン系における反強磁性量子臨界定常状態の明確な実現例であることが確立された。