[논문 리뷰] Evolution of Magnetic Double Helix and Quantum Criticality near a Dome of Superconductivity in CrAs

Masaaki Matsuda, F. K. Lin외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 08.

Iron-based superconductors research참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 압력과 인 돌출을 통해 CrAs에서의 양자临계성과 초전도성의 특성을 조사하며, 초전도 도메인 근처에서 이중 나선형 자성 순서가 첫 번째 계급의 구조 전이에 의해 억제됨을 밝혀냈다. 중성자 회절 및 비탄성 산란 결과, 약 10 kbar 압력 또는 5% P 도핑에서 양자临계성이 나타나며, 이는 비페르미 액체 저항도와 증가한 비열을 특징으로 하여, 비정상적인 초전도성과 관련된 거의 두 번째 계급의 나선형 자성 양자 상전이를 시사한다.

ABSTRACT

At ambient pressure CrAs undergoes a first-order transition into a double-helical magnetic state at TN = 265 K, which is accompanied by a structural transition. The recent discovery of pressure-induced superconductivity in CrAs makes it important to clarify the nature of quantum phase transitions out of its coupled structural/helimagnetic order. Here we show, via neutron diffraction on the single-crystal CrAs under hydrostatic pressure (P), that the combined order is suppressed at Pc ~ 10 kbar, near which bulk superconductivity develops with a maximal transition temperature Tc ~ 2 K. We further show that the coupled order is also completely suppressed by phosphorus doping in CrAs1-xPx at a critical xc ~ 0.05, above which inelastic neutron scattering evidenced persistent antiferromagnetic correlations, providing a possible link between magnetism and superconductivity. In line with the presence of antiferromagnetic fluctuations near Pc (xc), the A coefficient of the quadratic temperature dependence of resistivity exhibits a dramatic enhancement as P (x) approaches Pc (xc), around which Res(T) has a non-Fermi-liquid form. Accordingly, the electronic specific-heat coefficient of CrAs1-xPx peaks out around xc. These properties provide clear evidences for quantum criticality, which we interpret as originating from a nearly second-order helimagnetic quantum phase transition that is concomitant with a first-order structural transition. Our findings in CrAs highlight the distinct characteristics of quantum criticality in bad metals, thereby bringing out new insights into the physics of unconventional superconductivity such as occurring in the high-Tc iron pnictides.

연구 동기 및 목표

• CrAs의 초전도 도메인 근처에서의 양자 상전이의 성격을 이해하기 위해.
• 압력과 도핑 조건에서 구조적, 나선형 자성, 초전도성 순서 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 양자临계점 근처에서의 반자성 플럭추에이션과 초전도성 간의 직접적인 연관성이 있는지 확인하기 위해.
• 저항도와 비열 측정을 통해 양자临계점 근처의 전자 행동을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 수소압을 이용한 단결정 CrAs에서의 중성자 회절을 통해 자성 및 구조적 질서의 변화를 분석한다.
• CrAs1-xPx에서의 비탄성 중성자 산란을 통해 임계 도핑 근처에서 지속적인 반자성 스핀 상관관계를 탐지한다.
• CrAs1-xPx에서의 저항도 및 전자 비열 측정을 통해 양자临계점 근처에서의 비페르미 액체 거동을 확인한다.
• 초전도 전이 온도 Tc의 압력 및 도핑 의존성을 분석하여 초전도 도메인을 그림으로 그린다.
• 압력과 도핑 조절을 비교하여 보편적인 양자临계 행동을 규명한다.
• 저항도의 제곱온도 의존성의 A 계수를 사용하여 양자临계 강화를 탐지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소압이 CrAs에서 이중 나선형 자성 및 구조적 질서를 어떻게 억제하는가?
• RQ2 임계 압력 Pc ~ 10 kbar에서의 양자 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 CrAs1-xPx에서의 임계점 근처에서 반자성 스핀 플럭추에이션이 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비페르미 액체 저항도 거동이 CrAs에서 양자临계성을 어떻게 시사하는가?
• RQ5 양자临계 플럭추에이션과 CrAs에서의 초전도성 발생 간에 직접적인 연관성이 있는가?

주요 결과

• CrAs에서 이중 나선형 자성 및 첫 번째 계급의 구조적 질서는 Pc ~ 10 kbar에서 완전히 억제되며, 이는 Tc ~ 2 K의 매크로스코픽 초전도성 발생과 동시에 일어난다.
• xc ~ 0.05에서의 인 도핑은 결합된 질서를 억제하며, 비탄성 중성자 산란 결과 임계 도핑 근처에서 지속적인 반자성 스핀 상관관계가 확인된다.
• 저항도의 제곱온도 의존성의 A 계수는 Pc 및 xc 근처에서 급격히 증가하여 비페르미 액체 거동을 나타낸다.
• 전자 비열 계수는 xc ~ 0.05에서 최고치를 보이며, 양자临계성에 대한 직접적인 증거를 제공한다.
• 관측된 양자临계성은 첫 번째 계급의 구조 전이와 동시에 일어나는 거의 두 번째 계급의 나선형 자성 전이에서 기인한다.
• 이 결과들은 CrAs와 같은 나쁜 금속에서의 양자临계성이 고온 초전도 철계 산화물과 유사하게 비정상적인 초전도성의 기초가 될 수 있음을 시사한다.