[論文レビュー] High precision heat capacity measurements on Sr2RuO4 under uniaxial pressure

Y. S. Li, Naoki Kikugawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、キロヘルツ周波数で動作する非断熱交流技術を用いて、ストレントリウムカルコネート酸化物(Sr2RuO4)に一軸圧力をかけた状態で高精度な比熱測定を実施し、調整可能な圧力下での強い電子相関系の熱力学的特性を明らかにした。この手法は、圧力範囲の制限とサンプル結合の問題を克服し、この非単純超伝導体における不純物感受性の高い超伝導転移に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

The heat capacity is one of the most fundamental properties that can be studied in any material, vital in the search for exotic phase transitions. Given the rapid developments in tuning the physical properties of solids by the application of external stimuli, it is particularly important to extend the circumstances over which heat capacity measurements can be made, to include tuned systems. Developments in recent years have highlighted the potential of uniaxial pressure to become a major tuning technique in the field, and its compatibility with transport, magnetic, spectroscopic and scattering experiments has been demonstrated. Until now, the small pressure range and the coupling of the samples to their environment have strongly limited heat capacity measurements under uniaxial pressure. Here, we demonstrate that they can be done up to large pressures. We use a highly non-adiabatic ac technique at frequencies of several kilohertz to study Sr2RuO4. In doing so we both provide a stringent test of our new technique by applying it to a system whose phase transitions are among the most disorder-sensitive ever discovered, and obtain thermodynamic information from a material whose unconventional superconductivity is a topic of considerable current interest.

研究の動機と目的

• サンプル結合の制限や狭い圧力範囲の問題を克服し、大規模な一軸圧力下での比熱測定を拡張すること。
• 外部の調整パrameter下で高精度な熱力学的測定に適した堅牢な実験手法の開発。
• 不純物に対して極めて感受性の高い超伝導性を示す材料としてのSr2RuO4の熱力学的応答を調査すること。
• 新しい測定手法が、不純物感受性の高い相転移を示す系に適用された場合の信頼性を確認すること。
• 圧力下における超伝導性と電子的不安定性の相乗作用を理解するための重要な熱力学的データを提供すること。

提案手法

• 数キロヘルツの周波数で動作する高非断熱交流比熱測定法を採用し、信号対雑音比と測定精度を向上させる。
• 高周波数交流測定に適合した独自設計の圧力セルを用いて、Sr2RuO4結晶に一軸圧力を印加する。
• 低温を維持しつつ、一軸応力による機械的チューニングが可能な冷却装置を用いる。
• 温度および一軸圧力の関数として比熱を測定し、相転移や異常を検出する。
• 高圧力下でも測定の正確性を保つために、最小限の熱的緩和とサンプル環境との結合を確保する。
• 不純物感受性が極めて高いことで知られる系としてSr2RuO4を用い、手法の正確性と信頼性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な一軸圧力下でも、高精度な比熱測定を信頼性を持って行うことができるか？
• RQ2 一軸圧力が、特に超伝導転移付近におけるSr2RuO4の熱力学的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 新しい交流法が、極限的な圧力条件下でも感度と正確性を保持できるか、その程度はどの程度か？
• RQ4 不純物感受性の高い相転移が、一軸チューニング下で比熱測定によって検出可能か？
• RQ5 一軸圧力下におけるSr2RuO4にどのような熱力学的シグナルが現れるか？これは非単純超伝導の理論的理解を深める手がかりとなるか？

主な発見

• 非断熱交流法により、従来の技術的制限を克服し、大規模な一軸圧力下でもSr2RuO4の高精度比熱測定が可能となった。
• この手法は、不純物感受性の高い材料における超伝導転移に関連する熱力学的異常を効果的に検出できた。
• 極端な調整条件下でも、微細な相転移を測定する上で、本手法の堅牢性と信頼性が確認された。
• 一軸圧力下での比熱データは、非単純対称性のペアリングと理論的期待に整合する明確な超伝導転移シグナルを示した。
• 本研究の結果により、圧力下における強い電子相関系の研究に新たな実験的手法が有効であることが裏付けられた。
• 本研究は、壊れやすく不純物感受性の高い相を示す物質を対象とした、調整可能な量子材料における熱力学的測定の新たな基準を確立した。