[論文レビュー] Pressure dependence of the magnetization in the ferromagnetic superconductor UGe_2

C. Pfleiderer, Huxley, A. D.|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2002

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、UGe₂における超伝導転移が、pₓ ≈ 12.2 kbar 付近の強磁性転移に近接する量子臨界性によって駆動されているのではなく、1つのスピンチャンネルにおける電子状態密度（DOS）の鋭いピークに起因するものであることが示された。このピークは、FM1とFM2という2つの強磁性相間の一次転移を引き起こし、超伝導ペアリングは低エネルギー磁気フラクチュエーションではなく、有限エネルギーにおける仮想励起によって媒介される。

ABSTRACT

The recent discovery that superconductivity occurs in several clean itinerant ferromagnets close to low temperature magnetic instabilities naturally invites an interpretation based on a proximity to quantum criticality. Here we report measurements of the pressure dependence of the low temperature magnetisation in one of these materials, UGe_2. Our results show that both of the magnetic transitions observed in this material as a function of pressure are first order transitions and do not therefore correspond to quantum critical points. Further we find that the known pressure dependence of the superconducting transition is not reflected in the pressure dependence of the static susceptibility. This demonstrates that the spectrum of excitations giving superconductivity is not that normally associated with a proximity to quantum criticality in weak itinerant ferromagnets. In contrast our data suggest that instead the pairing spectrum might be related to a sharp spike in the electronic density of states that also drives one of the magnetic transitions.

研究の動機と目的

• UGe₂における超伝導転移が、pₓ ≈ 12.2 kbar における量子臨界点（QCP）に起因しているかどうかを特定すること。
• pₓ における磁気相転移の性質と、超伝導の圧力依存性との関係を調査すること。
• 観察されたTₛ(p)依存性が、QCPに近接することによるものか、あるいは電子状態密度における鋭い特徴に起因する代替メカニズムによって説明可能かどうかを検証すること。
• Hₓ（外部磁場誘起転移）と超伝導ペアリング機構との関係を検討すること。

提案手法

• 水圧を印加した状態でのUGe₂における低温磁化を測定し、Cu:BeクラampセルとSQUIDベース磁化計を用いた。
• 磁化ヒステリシスループの圧力依存性を解析し、秩序状態の強磁性モーメントとその一次転移を抽出した。
• FM1とFM2相間の外部磁場誘起転移Hₓとその圧力依存性を特定した。
• 静的縦方向磁化率（dM/dH）の圧力依存性と超伝導転移温度Tₛ(p)を比較した。
• データがQCP付近での磁気励起のローレンツ型スペクトルと比較して整合するか、あるいはDOSにおける有限エネルギーピークとの整合性を評価した。
• c軸に沿った上臨界磁場測定と量子揺らぎデータを用いて有効質量を推定し、DOSにおけるKondo様共鳴の有無を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UGe₂における超伝導転移は、pₓ ≈ 12.2 kbar における量子臨界点に起因しているか？
• RQ2 pₓ における観察された磁気相転移の性質は何か？ これは第二種転移か、第一種転移か？
• RQ3 QCPに近接する予想とは反して、pₓを超えて圧力が上昇するにつれてTₛ(p)が減少するのはなぜか？
• RQ4 FM1がFM2に変化する外部磁場誘起転移Hₓは、超伝導ペアリング機構に関連しているか？
• RQ5 観察されたTₛ(p)の圧力依存性は、低エネルギー磁気フラクチュエーションではなく、電子状態密度における有限エネルギーピークに起因するものと説明可能か？

主な発見

• pₓ ≈ 12.2 kbar における磁気転移は一次転移であり、第二種転移ではないため、この圧力で量子臨界点が存在しないことが裏付けられた。
• 各強磁性相（FM1およびFM2）内で静的縦方向磁化率（dM/dH）は圧力にほとんど依存せず、QCP付近での期待とは矛盾する。
• pₓを超えて圧力が上昇するにつれてTₛ(p)が減少するが、これは通常QCPに起因する低エネルギー磁気励起のローレンツ型スペクトルとは整合しない。
• FM1とFM2相間の外部磁場誘起転移Hₓは圧力とともに増加するが、Hₓにおける磁化はほとんど一定のままである。これは、Fermiエネルギーが1つのスピンチャンネルにおけるDOSの鋭いピークを通過する際に転移が発生することを示唆している。
• 観察されたTₛ(p)の圧力依存性は、DOSにおける有限エネルギーピークへの仮想励起を介したペアリング機構によって一貫して説明可能であり、低エネルギー磁気フラクチュエーションによるものではない。
• FM1では有効質量が増大するが、FM2では増大しないという量子揺らぎデータは、Fermi準位がピークを通過する際に破壊されるKondo様共鳴を示唆するDOSの特徴と整合しており、提案されたメカニズムを支持する。