[論文レビュー] Evolution of Magnetic Double Helix and Quantum Criticality near a Dome of Superconductivity in CrAs

Masaaki Matsuda, F. K. Lin+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、圧力およびリンドーピング条件下におけるCrAsの量子臨界性と超伝導性を調査し、超伝導ドーム付近で二重ヘリカル磁気秩序が第一順位の構造転移によって抑制されることを明らかにした。中性子回折および非弾性散乱により、約10 kbarの圧力または5%のPドーピングで量子臨界性が顕在化することが判明した。これは非フェルミ液体的抵抗率および増強された比熱を示しており、非局所的超伝導性と関連するほぼ第二順位のヘリカル磁気的量子相転移に起因するものである。

ABSTRACT

At ambient pressure CrAs undergoes a first-order transition into a double-helical magnetic state at TN = 265 K, which is accompanied by a structural transition. The recent discovery of pressure-induced superconductivity in CrAs makes it important to clarify the nature of quantum phase transitions out of its coupled structural/helimagnetic order. Here we show, via neutron diffraction on the single-crystal CrAs under hydrostatic pressure (P), that the combined order is suppressed at Pc ~ 10 kbar, near which bulk superconductivity develops with a maximal transition temperature Tc ~ 2 K. We further show that the coupled order is also completely suppressed by phosphorus doping in CrAs1-xPx at a critical xc ~ 0.05, above which inelastic neutron scattering evidenced persistent antiferromagnetic correlations, providing a possible link between magnetism and superconductivity. In line with the presence of antiferromagnetic fluctuations near Pc (xc), the A coefficient of the quadratic temperature dependence of resistivity exhibits a dramatic enhancement as P (x) approaches Pc (xc), around which Res(T) has a non-Fermi-liquid form. Accordingly, the electronic specific-heat coefficient of CrAs1-xPx peaks out around xc. These properties provide clear evidences for quantum criticality, which we interpret as originating from a nearly second-order helimagnetic quantum phase transition that is concomitant with a first-order structural transition. Our findings in CrAs highlight the distinct characteristics of quantum criticality in bad metals, thereby bringing out new insights into the physics of unconventional superconductivity such as occurring in the high-Tc iron pnictides.

研究の動機と目的

• CrAsの超伝導ドーム付近における量子相転移の性質を理解すること。
• 圧力およびドーピング下での構造的・ヘリカル磁気的・超伝導的秩序の相乗的相互作用を調査すること。
• 量子臨界点近くの反強磁性揺らぎが超伝導性と直接関連しているかどうかを特定すること。
• 抵抗率および比熱測定を用いて、量子臨界点近傍の電子的挙動を特徴付けること。

提案手法

• 静水圧下での単結晶CrAsに対する中性子回折を用いて、磁気的および構造的秩序の変化を調査した。
• CrAs1-xPxにおける非弾性中性子散乱を用いて、臨界ドーピング付近での持続的反強磁性スピン相関を検出した。
• CrAs1-xPxにおける抵抗率および電子比熱の測定を実施し、量子臨界点付近での非フェルミ液体的挙動を同定した。
• 遷移温度Tcの圧力およびドーピング依存性の解析により、超伝導ドームをマッピングした。
• 圧力およびドーピングによる調整の比較を通じて、普遍的な量子臨界行動を特定した。
• 抵抗率の二次温度依存性のA係数を用いて、量子臨界性の増強を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧は、CrAsにおける二重ヘリカル磁気秩序および構造的秩序をどのように抑制するか？
• RQ2 臨界圧力Pc ~ 10 kbarにおける量子相転移の性質は何か？
• RQ3 CrAs1-xPxにおける量子臨界点近くで反強磁性スピン揺らぎはどのように変化するか？
• RQ4 非フェルミ液体的抵抗率挙動は、CrAsにおける量子臨界性をどの程度示唆するか？
• RQ5 量子臨界揺らぎとCrAsにおける超伝導性の出現との間に直接的な関連があるか？

主な発見

• CrAsにおける二重ヘリカル磁気秩序および第一順位の構造的秩序は、Pc ~ 10 kbarで完全に抑制され、これが体積的超伝導の開始（Tc ~ 2 K）と一致する。
• リンドーピングがxc ~ 0.05に達すると、結合秩序が抑制され、非弾性中性子散乱により臨界ドーピング付近で持続的な反強磁性スピン相関が観測された。
• 抵抗率の二次温度依存性のA係数は、Pcおよびxc付近で顕著に増大し、非フェルミ液体的挙動を示している。
• 電子比熱係数はxc ~ 0.05でピークを示し、量子臨界性の直接的証拠を提供している。
• 観測された量子臨界性は、第一順位の構造的転移と同時に進行するほぼ第二順位のヘリカル磁気的転移に起因している。
• これらの結果は、CrAsのような悪金属における量子臨界性が、高Tc鉄ヒ素化物と同様に非局所的超伝導性を駆動している可能性を示唆している。