[論文レビュー] Magnetic field-tuned quantum critical point in CeAuSb_2

Luis Balicas, Satoru Nakatsuji+4 more|eScholarship (California Digital Library)|Nov 23, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、重いフェルミ粒子化合物CeAuSb₂において、磁場でチューニングされた量子臨界点（QCP）を同定した。臨界磁場H_c ≈ 5.4 Tで、スピン密度波的反強磁性秩序が絶対零度まで抑制される。H_cにおいて、系は非フェルミ液体的挙動を示し、非線形な抵抗率（ρ ∝ T^{1/2}）と比熱の対数発散（C_e/T ∝ -ln T）を示す。高磁場領域では、T³に比例する抵抗率の依存性が出現し、フェルミ液体理論の破綻を示唆する。

ABSTRACT

Transport, magnetic and thermal properties at high magnetic fields (H) and low temperatures (T) of the heavy fermion compound CeAuSb_2 are reported. At H=0 this layered system exhibits antiferromagnetic order below T_N = 6 K. Applying B along the inter-plane direction, leads to a continuous suppression of T_N and a quantum critical point at H_c ~ 5.4 T. Although it exhibits Fermi liquid behavior within the Neel phase, in the paramagnetic state the fluctuations associated with H_c give rise to unconventional behavior in the resistivity (sub-linear in T) and to a TlnT dependence in the magnetic contribution to the specific heat. For H > H_c and low T the electrical resistivity exhibits an unusual T^3-dependence.

研究の動機と目的

• 高磁場および低温度下におけるCeAuSb₂の量子臨界的挙動を調査すること。
• CeAuSb₂に磁場チューニングされた量子臨界点（QCP）が存在するか、およびその関連する輸送および熱力学的異常を特定すること。
• H_cを超えるパラ磁性相におけるフェルミ液体の破綻と、特異的T³抵抗率の出現を検討すること。
• YbRh₂Si₂ や Sr₃Ru₂O₇ などの他の重いフェルミ粒子系と比較して、CeAuSb₂における磁場チューニングQCPの特徴を明らかにすること。

提案手法

• 単結晶CeAuSb₂を用いて、25 mKまで冷却し、最大12 Tの磁場下で高精度な輸送、磁気的および熱的測定を実施した。
• 面内抵抗率ρ(T)を測定し、フェルミ液体的挙動（T²）からの逸脱と、非フェルミ液体的スケーリング（T^{1/2} または T³）を検出する。
• 比熱C(T)を測定し、LaAuSb₂を基準として磁気的寄与C_e(T)を差し引くことで、 Sommerfeld係数γとC_e/Tの依存性を特定した。
• Kadowaki-Woods比A/γ²を計算し、準粒子散乱の性質を調査し、複数のエネルギースケールを特定した。
• ρ(T)、C(T)およびH依存性から相図を構築し、T_Nの抑制から臨界磁場H_cを同定した。
• T-H平面全域でρ(T) ∝ T^nにおける指数nをマップし、非フェルミ液体的領域（n ≲ 1）、フェルミ液体的領域（n = 2）、および異常なT³依存性（n = 3）を特定した。

Figure 1: a) $T$ -dependence of the in-plane resistivity $\rho$ of a CeAuSb 2 single crystal. At $T_{N}$ a pronounced change in slope is observed, below which FL behavior is recovered. b) This behavior is suppressed and a sub-linear $T$ -dependence is observed when $T_{N}\rightarrow 0$ . c) At highe

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeAuSb₂は、T_Nがゼロに抑制されることから示唆されるように、H_c ≈ 5.4 Tで磁場チューニングされた量子臨界点（QCP）を示すか？
• RQ2 H_cを超えるパラ磁性相における電子的挙動、特に抵抗率と比熱のスケーリングの性質は何か？
• RQ3 高磁場および低温度領域で抵抗率がT³依存性を示す理由は何か？これは標準的なフェルミ液体的挙動とどのように異なるか？
• RQ4 HがH_cに近づくに従い、抵抗率係数AおよびT³項の係数A₃はどのように振る舞い、臨界発散に何を示唆するか？
• RQ5 CeAuSb₂で観測された非フェルミ液体的挙動は、単一の普遍性クラスに従うのか、それとも他の磁場チューニングQCP系とは異なるのか？

主な発見

• 磁場を面内方向に印加した場合、ネール温度T_Nは臨界磁場H_c = 5.3 ± 0.2 Tで連続的にゼロに抑制される。
• H_cを超える領域では、低温で電気抵抗率がT³に比例する。これはフェルミ液体的挙動の破綻とスピン偏極金属相の出現を示唆する。
• H_c近傍のパラ磁性相では、抵抗率が非線形なT^{1/2}依存性を示し、比熱の磁気的寄与C_e/Tは-ln Tに発散する。両者ともQCP近傍の非フェルミ液体的挙動の特徴である。
• 抵抗率係数AはH_cに近づくに従い(H - H_c)^{-1}に発散する。これは量子臨界定常フラクチュエーションの存在を明確に示している。
• Kadowaki-Woods比A/γ²は一定でないため、複数のエネルギースケールが存在し、H_c付近で標準的なフェルミ液体スケーリングが破綻していることを示している。
• 相図では、H_cを超える領域に幅の狭いクロスオーバー領域（n ≈ 2、フェルミ液体的と類似）が存在するが、これは真のフェルミ液体相ではなく、最低温度域ではT³依存性が支配的である。

Figure 2: Upper panel: In-plane resistivity $\rho$ of CeAuSb 2 as a function of $H$ . Middle panel: The resulting phase diagram indicating the AF phase boundary, the PM region, and the region in field where NFL behavior is found. Arrows indicate the critical fields of the metamagnetic transitions. N