[論文レビュー] Giant overlap between the magnetic and superconducting phases of CeAu2Si2 under pressure

Zhi Ren, Leonid V. Pourovskii+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2014

Rare-earth and actinide compounds参考文献 37被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高圧下におけるCeAu2Si2において、超伝導相と磁気的相の間に巨大な重複が存在することを発見した。超伝導転移温度Tcは最大2.5 Kに達し、11.8–22.3 GPaの広い圧力範囲で反強磁性と同時に共存している。この共存は、Ce 4f電子における圧力誘発の軌道的クロスオーバーによって駆動されており、TcとTMが同時に増大し、磁性が消失する臨界圧力付近でピークに達する。これは、重フェルミオン系における非摂動的超伝導の主要因として軌道的物理が果たす役割を示唆している。

ABSTRACT

High pressure provides a powerful means for exploring unconventional superconductivity which appears mostly on the border of magnetism. Here we report the discovery of pressure-induced heavy fermion superconductivity up to 2.5 K in the antiferromanget CeAu2Si2 (TN ~ 10 K). Remarkably, the magnetic and superconducting phases are found to overlap across an unprecedentedly wide pressure interval from 11.8 to 22.3 GPa. Moreover, both the bulk Tc and TM are strongly enhanced when increasing the pressure from 16.7 to 20.2 GPa. Tc reaches a maximum at a pressure slightly below pc ~ 22.5 GPa, at which magnetic order disappears. Furthermore, the scaling behavior of the resistivity provides evidence for a continuous delocalization of the Ce 4f-electrons associated with a critical endpoint lying just above pc. We show that the maximum Tc of CeAu2Si2 actually occurs at almost the same unit-cell volume as that of CeCu2Si2 and CeCu2Ge2, and when the Kondo and crystal field splitting energies becomes comparable. Dynamical mean-filed theory calculations suggest that the peculiar behavior in pressurized CeAu2Si2 might be related to its Ce 4f-orbital occupancy. Our results not only provide a unique example of the interplay between superconductivity and magnetism, but also underline the role of orbital physics in understanding Ce-based heavy fermion systems.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるCeAu2Si2における超伝導と磁性の相乗的相互作用を調査すること。
• 観測された超伝導的・磁性的相の共存が、電子相関効果か軌道的自由度に起因するかを特定すること。
• Ce 4f電子の拡散化と軌道占有数が、非摂動的超伝導を駆動する役割を果たすメカニズムを明らかにすること。
• CeAu2Si2におけるTcとTMの圧力依存性を、CeCu2Si2やCeCu2Ge2などの類縁Ce系重フェルミオン化合物と比較すること。
• 中間圧力領域（16.7–20.2 GPa）におけるTcとTMの増大の微視的起源を同定すること。

提案手法

• 高品質な単結晶CeAu2Si2を用いて、27.4 GPaまで高圧下での電気抵抗測定および熱力学的測定を実施した。
• 抵抗率スケーリング解析を用いて、Ce 4f電子の連続的拡散化に関連する臨界終点を特定した。
• 第一原理的ダイナミカル平均場理論（DMFT）計算を用いて、Ce 4f軌道占有数と電子構造の圧力依存性を分析した。
• CeAu2Si2、CeCu2Si2、CeCu2Ge2の単位格子体積を計算し、共通のスケーリング行動を同定した。
• Kondo温度（TK）と結晶場分裂エネルギーの進化を分析し、対形成メカニズムにおけるその役割を評価した。
• 磁性転移温度（TM）と超伝導転移温度（Tc）の圧力依存性をマップし、相関関係や共存領域を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeAu2Si2における高圧下での超伝導と磁性の共存の広がりと性質は何か？
• RQ2 なぜTcがTMが上昇する圧力範囲と同一領域で増大するのか？
• RQ3 抵抗率スケーリングで観測された臨界終点の微視的起源は何か？また、4f電子の拡散化とどのように関連しているか？
• RQ4 Ce 4f電子の軌道占有数はどのように圧力に応じて変化し、超伝導を媒介する役割を果たすのか？
• RQ5 CeAu2Si2における最大Tcが、化学組成の違いにもかかわらず、CeCu2Si2やCeCu2Ge2とほぼ同一の単位格子体積で発現する理由は何か？

主な発見

• CeAu2Si2において、11.8–22.3 GPaの広い圧力範囲で、超伝導相と磁性相の間に前例のない巨大な重複が存在し、Ce系重フェルミオン系では画期的な発見である。
• 超伝導転移温度Tcは、臨界圧力pc ≈ 22.5 GPaのわずか下で最大2.5 Kに達し、磁性秩序が消失する地点に一致する。
• TcとTMは16.7–20.2 GPaの間で強く増大し、広い圧力範囲でTc ∝ TMの関係が観測され、相関的な進化を示している。
• 抵抗率スケーリングにより、Ce 4f電子の連続的拡散化が示され、臨界終点がpcよりわずか上にあることが判明した。
• 第一原理的DMFT計算により、圧力下でCe 4f軌道占有数に顕著な中間状態が現れ、この現象の主要因として軌道的物理が関与していることが示唆された。
• 最大Tcは、CeCu2Si2やCeCu2Ge2とほぼ同一の単位格子体積で発現し、Kondoエネルギーと結晶場分裂エネルギーが同等に近づく地点と一致しており、普遍的な対形成メカニズムの可能性を示唆している。