[論文レビュー] Quantum Criticality in doped CePd_1-xRh_x Ferromagnet

J.G. Sereni, T. Westerkamp+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2006

Rare-earth and actinide compounds被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、ドーピングされたCePd₁₋ₓRhₓ—強磁性重いフェルミ粒子系—における量子臨界性を、複数の熱力学的および輸送特性測定を用いて調査した。臨界濃度x ≈ 0.87で強磁性転移温度T_Cが25 mKに低下し、比熱がべき乗則の発散（C_m/T ∝ T^−0.5）を示すことが判明した。これは、量子揺らぎによって駆動される非フェルミ液体的挙動を示しており、ランダムなKondo相互作用とRKKY相互作用の共存により、強磁性と混合価数的性質が併存していることが示唆される。

ABSTRACT

CePd_1-xRh_x alloys exhibit a continuous evolution from ferromagnetism (T_C= 6.5 K) at x = 0 to a mixed valence (MV) state at x = 1. We have performed a detailed investigation on the suppression of the ferromagnetic (F) phase in this alloy using dc-(χ_dc) and ac-susceptibility (χ_ac), specific heat (C_m), resistivity (ρ) and thermal expansion (β) techniques. Our results show a continuous decrease of T_C (x) with negative curvature down to T_C = 3K at x*= 0.65, where a positive curvature takes over. Beyond x*, a cusp in cac is traced down to T_C* = 25 mK at x = 0.87, locating the critical concentration between x = 0.87 and 0.90. The quantum criticality of this region is recognized by the -log(T/T_0) dependence of C_m/T, which transforms into a T^-q (~0.5) one at x = 0.87. At high temperature, this system shows the onset of valence instability revealed by a deviation from Vegard's law (at x_V~0.75) and increasing hybridization effects on high temperature χ_dc and ρ. Coincidentally, a Fermi liquid contribution to the specific heat arises from the MV component, which becomes dominant at the CeRh limit. In contrast to antiferromagnetic systems, no C_m/T flattening is observed for x > x_cr rather the mentioned power law divergence, which coincides with a change of sign of β. The coexistence of F and MV components and the sudden changes in the T dependencies are discussed in the context of randomly distributed magnetic and Kondo couplings.

研究の動機と目的

• Rhドーピング（x）の関数として、強磁性CePd₁₋ₓRhₓ系における量子臨界点（QCP）をマップすること。
• 量子臨界環境下における強磁性秩序、混合価数的挙動、Kondoスクリーニングの相乗的相互作用を調査すること。
• 観測された非フェルミ液体的挙動が、量子臨界揺らぎに起因するのか、あるいは競合する磁気秩序に起因するのかを特定すること。
• 不純物と不均一なKondo/RKKY相互作用が、古典的臨界行動から量子臨界行動への転移をどのように駆動するかを明確にすること。

提案手法

• T_Cの変化と臨界揺らぎの検出を目的としたdcおよびac磁化率（χ_dc, χ_ac）の測定。
• 電子比熱と準粒子散乱を調べるための比熱（C_m）および抵抗率（ρ）の測定。
• 体積変化と電子的エントロピーの変化を検出することで、価数不安定性を特定するための熱膨張（β）の測定。
• T依存性C_m/Tおよびχ_dcの分析により、非フェルミ液体的挙動（対数的またはべき乗則的発散）を同定。
• 周波数依存性χ_acを用いて、量子臨界揺らぎとスピンガラス的挙動を区別。
• 3次元拡散的強磁性体が量子臨界点付近にある理論予測と実験データを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CePd₁₋ₓRhₓにおける量子臨界点（QCP）の正確な位置は何か？T_C(x)はRhドーピングとともにどのように変化するか？
• RQ2 QCP付近における比熱C_m/Tの振る舞いは何か？その温度依存性が非フェルミ液体的挙動をどのように示すか？
• RQ3 x ≈ 0.87を超える領域でなぜべき乗則の発散（C_m/T ∝ T^−0.5）が観測されるのか？反強磁性系とはどのように異なるか？
• RQ4 価数不安定性とKondoスクリーニングの役割は、強磁性秩序の抑制にどのように寄与するか？電子構造にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ランダムなPd/Rh置換は、RKKYおよびKondo相互作用の分布にどのように影響を与え、量子臨界性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 強磁性転移温度T_C(x)はRhドーピングに伴い連続的に低下し、x* ≈ 0.65まで負の曲率を示し、その後正の曲率の尾を示す。
• 臨界濃度x_cr ≈ 0.87でT_Cが25 mKに低下し、量子臨界性の始まりが特定された。
• x = 0.87でC_m/Tはべき乗則の発散（∝ T^−0.5、q ≈ 0.5）を示し、非フェルミ液体的挙動を示しており、古典的臨界領域で観測される対数的依存性とは対照的である。
• 熱膨張係数β(T)はx ≈ 0.87で符号を変える。これはC_m/Tの挙動の転移と一致しており、電子基底状態の性質の変化を示している。
• x_V ≈ 0.75でVegardの法則からの逸脱が観測され、価数不安定性の始まりと増加する混合化が示唆され、QCPの前触れである。
• 強磁性秩序と強いKondoスクリーニングの共存は、Pd/Rh不純物によるRKKYおよびKondo相互作用のランダム分布に起因し、不均一な電子散乱を引き起こしている。