[논문 리뷰] High Field Lifshitz Transitions and Magneto AcousticQuantum Oscillations in UPt_3

Ludwig Holleis, V. W. Ulrich외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 UPt₃에서 33 T까지의 자화음향 양자진동(MAQO)을 보고하며, ab-평면 및 c축 자기장 방향에서 모두 필드 유도 Lifshitz 전이를 규명하였다. Band 1의 δ-오빗에서 기인하는 주요 MAQO(효과 질량 33mₑ)는 20 T에서 발생하는 변성 전이 시점에 사라지며, 이는 주요 피어미 표면 재구성의 신호이다. c축 자기장에서 24.8 T와 30 T에서 관측된 갑작스러운 주파수 변화는 새로운 스핀 밀도파 상태와 추가적인 Lifshitz 전이를 시사한다.

ABSTRACT

We report magneto-acoustic quantum oscillations (MAQO) in the heavy fermion system UPt$_3$ in magnetic fields B, upto 33 T. For B in the ab-plane of the hexagonal crystal MAQO in the sound velocity commence at $\approx$ 12 T and grow with field. However, in contrast to typical Lifshitz-Kosevich behaviour the frequency corresponding to the dominant oscillation increases continuously as the metamagnetic transition (MMT) at 20 T is reached. This dominant MAQO arises from the $\delta$ orbit of band 1 with a large effective mass of 33 m$_e$, for B $<$ 20 T and disappears after the MMT. Thus, the MMT involves a significant change of the Fermi surface, primarily in band 1. For B $\parallel$ ab-plane and $<$ 20 T we reproduce successfully orbits established through previous de Haas-van Alphen and Shubnikov de Haas measurements. We also observe several new orbits, some that can be identified with existing band theory and others not seen previously with completely new frequencies. For B $\parallel$ c-axis we observe MAQOs which also commence at $\approx$ 12 T and grow gradually but break suddenly into a large amplitude and change in frequency at 24.8 T. These enhanced oscillations get weaker again at 30 T. These abrupt changes at 24.8 T and 30 T are signatures of Lifshitz transitions and coincide with the newly discovered spin density wave states for this orientation reported by us recently.

연구 동기 및 목표

• 자기장 의존성 양자진동을 자화음향 측정을 통해 이용하여 UPt₃의 피어미 표면 기하학을 탐구하기.
• 고자기장 조건에서 중성자형 초전도체인 UPt₃에서 Lifshitz 전이를 규명하기.
• 관측된 진동 비정상성과 기존의 변성 및 스핀 밀도파 전이 간의 상관관계를 규명하기.
• 이전의 de Haas-van Alphen 및 Shubnikov-de Haas 방법으로는 관측되지 않은 새로운 피어미 표면 오빗을 탐지하기.

제안 방법

• ab-평면 및 c축 자기장 방향에서 최대 33 T까지의 자화음향 양자진동(MAQO) 측정을 수행하였다.
• 음속 진동의 자기장에 따른 변화를 분석하여 피어미 표면 오빗 주파수와 효과 질량을 추출하였다.
• 관측된 진동 주파수를 기존의 밴드 구조 계산 및 이전의 de Haas-van Alphen/Shubnikov-de Haas 데이터와 비교하였다.
• 특히 c축에서 24.8 T 및 30 T에서 관측된 진동 주파수 및 진폭의 급격한 변화를 통해 필드 유도 Lifshitz 전이를 규명하였다.
• 기대되는 거동를 기준으로 Lifshitz-Kosevich 형식을 활용하였으며, 이의 이탈은 피어미 표면 재구성의 징후로 대조 분석하였다.
• 최근 보고된 c축 자기장 구성에서의 스핀 밀도파 상태와 관측된 전이를 상관관계화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ab-평면 및 c축에서 UPt₃의 자화음향 양자진동은 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 20 T에서 발생하는 변성 전이에 접근함에 따라 증가하는 MAQO 주파수의 기원은 무엇인가?
• RQ3 c축에서 24.8 T 및 30 T에서 관측된 MAQO 진폭 및 주파수의 급격한 변화는 Lifshitz 전이 및 새로운 스핀 밀도파 상태와 관련이 있는가?
• RQ4 관측된 MAQO를 일으키는 피어미 표면 오빗은 무엇이며, 이는 이전의 de Haas-van Alphen 및 Shubnikov-de Haas 측정 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 ab-평면에서 20 T에서 발생하는 변성 전이가 band 1에서 피어미 표면 재구성의 정도는 어느 정도를 초래하는가?

주요 결과

• ab-평면에서의 MAQO는 약 12 T부터 시작되어 자기장에 따라 증가하며, 변성 전이 시점인 20 T까지 주파수가 지속적으로 증가한다.
• 주요 MAQO는 band 1의 δ-오빗에서 기인하며, 효과 질량은 33mₑ이다. 이 오빗은 20 T 변성 전이 이후 사라지며, 이는 주요 피어미 표면 재구성의 신호이다.
• B ∥ ab-plane 및 B < 20 T 조건에서는 관측된 오빗이 이전의 de Haas-van Alphen 및 Shubnikov-de Haas 측정 결과와 일치한다.
• 여러 개의 새로운 피어미 표면 오빗이 탐지되었으며, 일부는 밴드 이론 예측과 일치하고, 다른 일부는 이전에 관측되지 않은 주파수를 보였다.
• B ∥ c축 조건에서는 MAQO가 약 12 T부터 점진적으로 증가하다가, 24.8 T에서 갑작스럽게 진폭과 주파수가 변화하며 Lifshitz 전이를 시사한다.
• c축 구성에서 30 T에서 추가적인 급격한 변화가 관측되었으며, 이는 새로 발견된 스핀 밀도파 상태와 일치하며, 추가적인 Lifshitz 전이를 시사한다.