[논문 리뷰] Giant overlap between the magnetic and superconducting phases of CeAu2Si2 under pressure

Zhi Ren, Leonid V. Pourovskii외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 05.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 37인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 CeAu2Si2에서 초전도성과 자성 상 사이에 거대한 겹침을 발견하였으며, 초전도 전이 온도(Tc)가 최대 2.5 K에 이르며, 넓은 압력 범위(11.8–22.3 GPa)에서 반자성과 함께 공존한다. 이 공존 현상은 Ce 4f 전자에서 압력에 의해 유도된 오비탈 교환에 의해 유도되며, Tc와 TM이 동시에 향상되며, 자성이 사라지는 임계 압력 근처에서 최대에 도달한다. 이는 궁극적으로 체중 페르미온 시스템에서 비국소 초전도성의 핵심 원인으로 오비탈 물리학이 작용할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

High pressure provides a powerful means for exploring unconventional superconductivity which appears mostly on the border of magnetism. Here we report the discovery of pressure-induced heavy fermion superconductivity up to 2.5 K in the antiferromanget CeAu2Si2 (TN ~ 10 K). Remarkably, the magnetic and superconducting phases are found to overlap across an unprecedentedly wide pressure interval from 11.8 to 22.3 GPa. Moreover, both the bulk Tc and TM are strongly enhanced when increasing the pressure from 16.7 to 20.2 GPa. Tc reaches a maximum at a pressure slightly below pc ~ 22.5 GPa, at which magnetic order disappears. Furthermore, the scaling behavior of the resistivity provides evidence for a continuous delocalization of the Ce 4f-electrons associated with a critical endpoint lying just above pc. We show that the maximum Tc of CeAu2Si2 actually occurs at almost the same unit-cell volume as that of CeCu2Si2 and CeCu2Ge2, and when the Kondo and crystal field splitting energies becomes comparable. Dynamical mean-filed theory calculations suggest that the peculiar behavior in pressurized CeAu2Si2 might be related to its Ce 4f-orbital occupancy. Our results not only provide a unique example of the interplay between superconductivity and magnetism, but also underline the role of orbital physics in understanding Ce-based heavy fermion systems.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 CeAu2Si2의 초전도성과 자성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 관측된 초전도성 및 자성 상의 공존이 전자 상호작용인지 또는 오비탈 자유도와 관련이 있는지 규명하기 위해.
• Ce 4f 전자 이완화 및 오비탈 점유도가 비국소 초전도성의 원동력으로 작용하는 방식을 탐구하기 위해.
• Ce 기반 체중 페르미온 화합물인 CeCu2Si2 및 CeCu2Ge2와 유사한 압력 변화에 따른 Tc와 TM의 변화를 비교하기 위해.
• 중간 압력 범위(16.7–20.2 GPa)에서 Tc와 TM가 향상되는 미세 구조적 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고품질 단결정 CeAu2Si2를 이용해 최대 27.4 GPa까지 고압 전도도 및 열량 측정을 수행하였다.
• 저항도 스케일링 분 析를 통해 Ce 4f 전자 이완화의 연속적 과정과 관련된 임계 종점이 식별되었다.
• 압력에 따른 Ce 4f 오비탈 점유도와 전자 구조의 압력 의존성을 분석하기 위해 최초 원리 기반 동적 평균장 이론(DMFT) 계산을 수행하였다.
• CeAu2Si2, CeCu2Si2, CeCu2Ge2의 격자 세포 부피를 계산하고 비교하여 공통의 스케일링 행동을 규명하였다.
• Kondo 온도(TK)와 결정장 분리 에너지의 변화를 분석하여 이들이 쌍성 메커니즘에 미치는 영향을 평가하였다.
• 자기 전이 온도(TM)와 초전도 전이 온도(Tc)의 압력 의존성을 맵핑하여 상관관계 및 공존 영역을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeAu2Si2에서 고압 조건에서 초전도성과 자성 간의 공존 범위와 성격은 어떠한가?
• RQ2 왜 자성 전이 온도(TM)가 증가하는 압력 범위와 동시에 초전도 전이 온도(Tc)가 향상되는가?
• RQ3 저항도 스케일링에서 관측된 임계 종점의 미세 구조적 기원은 무엇이며, Ce 4f 전자 이완화와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 Ce 4f 전자 오비탈 점유도는 압력에 따라 어떻게 변화하며, 이는 초전도성의 매개 역할을 어떻게 수행하는가?
• RQ5 CeAu2Si2에서 최대 Tc가 화학 조성이 다른 CeCu2Si2 및 CeCu2Ge2와 거의 동일한 격자 세포 부피에서 발생하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• CeAu2Si2에서 초전도성과 자성 상 사이의 거대한 겹침이 11.8–22.3 GPa의 넓은 압력 범위에서 관찰되었으며, 이는 Ce 기반 체중 페르미온 시스템에서 전례 없는 일이다.
• 초전도 전이 온도 Tc는 임계 압력 pc ≈ 22.5 GPa보다 약간 아래에서 최대 2.5 K에 도달하며, 이는 자성이 사라지는 지점과 정확히 일치한다.
• Tc와 TM은 16.7–20.2 GPa 범위에서 강하게 향상되며, 넓은 압력 범위에서 Tc ∝ TM 관계를 보이며 상호 연관된 진화를 나타낸다.
• 저항도 스케일링 분석을 통해 Ce 4f 전자의 연속적 이완화가 확인되었으며, 이는 pc보다 약간 높은 압력에서 임계 종점이 존재함을 시사한다.
• 최초 원리 기반 DMFT 계산 결과, 압력에 따라 Ce 4f 오비탈 점유도에서 명백한 중간 상태가 나타나며, 이는 관측된 행동의 핵심 요인으로 오비탈 물리학이 작용할 가능성을 시사한다.
• 최대 Tc는 CeCu2Si2 및 CeCu2Ge2와 거의 동일한 격자 세포 부피에서 발생하며, Kondo 에너지와 결정장 에너지가 유사해지는 조건에서 발생함을 시사하며, 이는 보편적인 쌍성 메커니즘의 존재를 암시한다.