[論文レビュー] The de Haas van Alphen effect near a quantum critical end point in Sr_3Ru_2O_7

Jean-François Mercure|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、量子臨界終点付近で高精度な de Haas-van Alphen (dHvA) 量子揺動を用いて、Sr₃Ru₂O₇における量子臨界性を調査している。超高低温度（25 mK まで）で高純度単結晶を用いたdHvA揺動の分析において、準粒子有効質量の増大の証拠は得られず、以前の強い有効質量再正規化の報告に反する結果となった。有効質量の増大が観測されないのは、信号対雑音比が低い、特に干渉パターンの節付近において、三パラメータフィッティング手順に起因する系統的誤差に起因すると考えられる。これは、過去の観測結果が物理的効果ではなく、データ解析上の誤差に起因する偽の特徴である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Highly correlated electron materials are systems in which many new states of matter can emerge. A particular situation which favours the formation of exotic phases of the electron liquid in complex materials is that where a quantum critical point (QCP) is present the phase diagram. Neighbouring regions in parameter space reveal unusual physical properties, described as non-Fermi liquid behaviour. One of the important problems in quantum criticality is to find out how the Fermi surface (FS) of a material evolves near a QCP. The traditional method for studying the FS of materials is the de Haas van Alphen effect (dHvA). A quantum critical end point (QCEP) has been reported in the highly correlated metal Sr3Ru2O7, which is tuned using a magnetic field high enough to perform the dHvA experiment. It moreover features a new emergent phase in the vicinity of the QCEP, a nematic type of electron ordering. The subject of this thesis is the study of the FS of Sr3Ru2O7 using the dHvA effect. Three aspects were explored. The first was the determination of the FS at fields both above and below that where the QCEP arises. The second was the search for quantum oscillations inside the nematic phase. The third was a reinvestigation of the behaviour of the quasiparticle effective masses near the FS. A complete robust model for the FS of Sr3Ru2O7 at zero fields was determined. Moreover, the new measurements of the quasiparticle masses revealed that no mass enhancements exist anywhere around the QCEP. Finally, we report dHvA oscillations inside the nematic phase, which suggests that the carriers consist of Landau quasiparticles.

研究の動機と目的

• 高精度な de Haas-van Alphen (dHvA) 量子揺動を用いて、Sr₃Ru₂O₇における量子臨界性の性質を、その量子臨界終点付近で調査すること。
• 実験的ノイズとフィッティング手法の役割を検討することで、Sr₃Ru₂O₇における強い準粒子有効質量増大に関する矛盾する報告を解消すること。
• 特に干渉パターンの節付近の低信号領域において、dHvA実験における準粒子有効質量分析の信頼性基準を確立すること。
• 過去の研究で観測された有効質量の顕著な増大が、物理的有効質量再正規化ではなく、三パラメータフィッティング手順における系統的誤差に起因する可能性を示すこと。

提案手法

• 25 mK にまで達する温度を実現するため、³He/⁴He 稀釈冷凍機および断熱磁化冷却装置（ADR）を用いてdHvA測定を実施した。
• dHvA揺動を高感度で検出するとともにノイズを抑制するために、交流磁化率および磁場モード化技術を採用した。
• 窓関数処理と正規化を施したフーリエ変換により、揺動周波数と振幅を抽出し、その後Dingle解析を実施して準粒子の寿命を決定した。
• LK（Lifshitz-Kosevich）形式への二および三パラメータフィットを実施し、準粒子質量を抽出した。信号対雑音比とデータ品質に特に注意を払った。
• ノイズレベルを変化させた定常質量のdHvAデータをシミュレーションし、三パラメータフィットのロバストネスを検証し、誤った有効質量増大の原因を同定した。
• 角度依存測定およびエンベロープ抽出を用いて、フェルミ面のトポロジーをマッピングし、非線形磁化およびスピン分裂に起因する干渉パターンを検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr₃Ru₂O₇のdHvAデータにおいて準粒子有効質量増大が観測されないことは、量子臨界終点付近での真の量子臨界フラクチュエーションの欠如を示唆するのか？
• RQ2 低信号対雑音比と三パラメータLKフィットにおけるフィッティングアーチファクトが、dHvAデータにおける誤った準粒子有効質量増大をどれほど引き起こすのか？
• RQ3 信号対雑音比が、特にdHvA揺動の角度依存性における干渉パターンの節付近で、準粒子有効質量抽出の信頼性にどのように影響するのか？
• RQ4 dHvAデータ解析における系統的誤差が、過去に報告されたSr₃Ru₂O₇における強い有効質量増大を説明できるのか？
• RQ5 高分解能dHvA測定により、Sr₃Ru₂O₇のネミック相におけるフェルミ面の真の性質は何か？

主な発見

• 量子臨界終点付近でさえ、Sr₃Ru₂O₇のフェルミ面ポケットのいずれに対しても準粒子有効質量増大は観測されず、最も弱い揺動でも信号対雑音比が0.8にまで低下した状態であった。
• 0.15 kT の周波数成分の信号対雑音比は最低で0.8であったが、有効質量増大は検出されず、これは欠落した増大がデータ品質の悪さに起因するものではないことを示している。
• シミュレーションにより、ノイズの高いデータに三パラメータLKフィットを適用すると、特に信号対雑音比が3未満になると、強い誤った有効質量増大が生じることが判明した。これは、干渉パターンの節付近で顕著に現れた。
• 150 mVrms のノイズを伴うシミュレーションでは、真の準粒子質量が12 me で一定であったにもかかわらず、最大60に達する偽の有効質量増大が観測された。これは、低SNR条件下での三パラメータフィットの不安定性を示している。
• 本研究は、三パラメータフィットは使用を避けるべきであり、二パラメータLKフィットは信号対雑音比が0.5以上であるデータにのみ適用すべきであると結論づけた。
• 著者らは、過去に報告されたSr₃Ru₂O₇における強い有効質量増大は、おそらくこのようなフィッティング誤差に起因するものであり、真の電子相関効果によるものではないと主張している。