[論文レビュー] Magnetism and Superconductivity in CeRhIn5

G. Knebel, Dai Aoki+1 more|ArXiv.org|Nov 27, 2009

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、圧力および磁場下における重いフェルミオン化合物CeRhIn5における反強磁性と超伝導性の共存を調査している。比熱および磁化測定を用いて、圧力および磁場の異なる領域において両相が微視的に共存することを示し、隠れた量子臨界性および磁場誘発再臨界磁性を明らかにした。その特徴は高温超伝導体（高Tcカップレート）と顕著な類似性を示している。

ABSTRACT

We give a review of recent results on the heavy fermion superconductor CeRhIn$_5$ which presents ideal conditions to study the interplay of antiferromagnetism and superconductivity. The main results are the appearance of domains of microscopic coexistence of antiferromagnetism and superconductivity under both, pressure and magnetic field scans. At zero magnetic field, under pressure coexistence appears from the onset of pressure induced superconductivity up to the critical pressure $p_c^\star$ where antiferrmognetism disappears abruptly. Under magnetic field, re-entrance of magnetic order inside the superconducting state occurs in the pressure range from $p_c^\star$ up to $p_c$. The antiferromagnetic quantum critical point is hidden by the onset of superconductivity. A striking point is the similarity of the phase diagram of CeRhIn$_5$ and that of the high $T_c$ cuprate superconductors where for the cuprates the carrier concentration replaces the pressure. Both systems are characterized by: hidden magnetic quantum criticality, field reentrance of magnetism and the strong link to a Fermi surface instability.

研究の動機と目的

• 重いフェルミオン系CeRhIn5における反強磁性と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• 反強磁性および超伝導性の秩序が微視的に共存する条件を特定すること。
• 圧力および磁場が量子臨界行動をチューニングし、隠れた磁気的量子臨界点を露わにする役割を解明すること。
• CeRhIn5の相図を高温超伝導体（高Tcカップレート）の相図と比較し、強い電子相関系における普遍的特徴を同定すること。

提案手法

• CeRhIn5の圧力-温度相図をマップするために、高圧比熱および磁化測定が用いられた。
• 再臨界反強磁性の挙動を調べるために、磁場スキャンが実施された。
• Kondo相互作用とRKKY相互作用の競合を考慮した解析により、圧力が4f電子と伝導電子の混合を調整することを明らかにした。
• CeRhIn5における圧力とカップレートにおけるキャリア濃度を対応づけ、高温超伝導体との比較的分析が行われた。
• 比熱および磁化率の遷移を追跡することで、超伝導性の発現および反強磁性の抑制を評価した。
• スピンフラクチュエーション理論および局所的量子臨界性の理論枠組みを用いて、観測された相の共存および臨界行動を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下におけるCeRhIn5で、反強磁性秩序が超伝導性と共存する微視的条件は何か？
• RQ2 磁場の適用が、超伝導状態内における反強磁性秩序の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 CeRhIn5における量子臨界点の性質は何か？なぜ超伝導性によってその臨界点は隠されているのか？
• RQ4 反強磁性と超伝導性が競合する状況下で、CeRhIn5と高温超伝導体の相図がどの程度普遍的性質を示すか？
• RQ5 CeRhIn5における量子臨界点を越えてフェルミ面はどのように変化するか？また、その変化が超伝導性の出現に果たす役割は何か？

主な発見

• 反強磁性と超伝導性の微視的共存は、圧力誘起超伝導性の発現から始まり、反強磁性が急激に消失する臨界圧力 $p_{c}^{ullet}$ まで観測された。
• 磁場を加えると、圧力範囲 $p_{c}^{ullet} < p < p_{c}$ において超伝導状態内に再臨界反強磁性秩序が出現し、磁場誘発的安定化が示された。
• 臨界圧力 $p_{c}$ における反強磁性の量子臨界点は、超伝導性によって隠されており、長距離磁気秩序が抑制され、真の臨界点はゼロ磁場下で $p_{c}^{ullet}$ にシフトしている。
• CeRhIn5における最大超伝導転移温度 $T_{c}^{ ext{max}} \approx 2$ K は、高温超伝導体における最適ドーピング $x_{m}$ と一致しており、類似性を示している。
• CeRhIn5と高温超伝導体との間には顕著な類似性が認められ、両者ともに隠れた量子臨界性、磁場誘発再臨界磁性、フェルミ面不安定性との強い関連性を示している。
• CeRhIn5における臨界圧力 $p_{c}$ で小さなフェルミ面から大きなフェルミ面への変化は、4f電子の局在的から拡散的（有効なバンド状態）への移行に対応し、カップレートにおける $x_{m}$ でのフェルミ面再構成と類似している。