[논문 리뷰] Magnetic field-tuned quantum critical point in CeAuSb_2

Luis Balicas, Satoru Nakatsuji외 4명|eScholarship (California Digital Library)|2004. 11. 23.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 두꺼운 페르미온 화합물 CeAuSb₂에서 자기장 조절형 양자临계점(QCP)을 규명한다. 여기서 H_c ≈ 5.4 T의 임계 자기장이 반자성 질서를 절대온도에서 억제한다. H_c에서 시스템은 비페르미 액체 행동을 나타내며, 비선형 저항도(ρ ∝ T^{1/2})와 비열의 로그 발산(C_e/T ∝ -ln T)을 보인다. 이와 더불어 고자기장 영역에서는 T³ 저항도 의존성이 나타나, QCP를 초월해 페르미 액체 이론의 붕괴를 시사한다.

ABSTRACT

Transport, magnetic and thermal properties at high magnetic fields (H) and low temperatures (T) of the heavy fermion compound CeAuSb_2 are reported. At H=0 this layered system exhibits antiferromagnetic order below T_N = 6 K. Applying B along the inter-plane direction, leads to a continuous suppression of T_N and a quantum critical point at H_c ~ 5.4 T. Although it exhibits Fermi liquid behavior within the Neel phase, in the paramagnetic state the fluctuations associated with H_c give rise to unconventional behavior in the resistivity (sub-linear in T) and to a TlnT dependence in the magnetic contribution to the specific heat. For H > H_c and low T the electrical resistivity exhibits an unusual T^3-dependence.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 및 저온 조건에서 CeAuSb₂의 양자临계 행동을 조사하기 위해.
• CeAuSb₂에 자기장 조절형 양자临계점(QCP)이 존재하는지와 그 연관된 전기적 및 열역학적 이질성을 규명하기 위해.
• H_c 이상의 무자기 상에서 페르미 액체 행동의 붕괴와 비정상적인 T³ 저항도의 발생을 조사하기 위해.
• YbRh₂Si₂ 및 Sr₃Ru₂O₇와 같은 다른 두꺼운 페르미온 시스템과의 비교를 위해.

제안 방법

• 단일 결정 CeAuSb₂에서 25 mK까지 낮은 온도 및 최대 12 T의 자기장에서 고정밀 전기적, 자기적, 열측정을 수행하였다.
• 페르미 액체 행동(T²)의 이탈과 비페르미 액체 스케일링(T^{1/2} 또는 T³) 탐지 목적으로 평면 내 저항도 ρ(T)를 측정하였다.
• 비열 C(T)를 측정하고 LaAuSb₂ 기준을 빼어 자기기여항 C_e(T)를 추출함으로써, 소머펠드 계수 γ와 C_e/T 행동을 결정하였다.
• 쿼라프article 산산화의 성격을 조사하고 다중 에너지 척도를 식별하기 위해 카도와키-워즈 비율 A/γ²을 계산하였다.
• ρ(T), C(T), 및 H 의존성에서 유도된 단계도를 구성하였으며, T_N의 억제로부터 임계자기장 H_c를 확인하였다.
• T-H 평면 전역에서 ρ(T) ∝ T^n 의 지수 n 을 매핑하여 비페르미 액체(n ≲ 1), 페르미 액체(n = 2), 비정상적인 T³ 행동(n = 3) 영역을 식별하였다.

Figure 1: a) $T$ -dependence of the in-plane resistivity $\rho$ of a CeAuSb 2 single crystal. At $T_{N}$ a pronounced change in slope is observed, below which FL behavior is recovered. b) This behavior is suppressed and a sub-linear $T$ -dependence is observed when $T_{N}\rightarrow 0$ . c) At highe

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeAuSb₂는 H_c ≈ 5.4 T에서 T_N이 0으로 억제됨에 따라 자기장 조절형 양자临계점(QCP)을 나타내는가?
• RQ2 H_c 이상의 무자기 상에서 전자 행동의 성격, 특히 저항도 및 비열 스케일링은 어떠한가?
• RQ3 고자기장 및 저온에서 저항도가 T³ 의존성을 보이는 이유는 무엇이며, 이는 표준 페르미 액체 행동과 어떻게 다를까?
• RQ4 H 가 H_c에 접근함에 따라 계수 A(저항도)와 A₃(T³ 항)는 어떻게 행동하며, 이는 임계 발산에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 CeAuSb₂에서 관측된 비페르미 액체 행동은 단일 보편성 클래스에 해당하는가, 아니면 다른 자기장 조절형 QCP 시스템과는 다를까?

주요 결과

• 자기장을 층간 방향으로 인가할 때, 네엘 온도 T_N은 임계자기장 H_c = 5.3 ± 0.2 T 에서 연속적으로 0으로 억제된다.
• H_c 이상에서 전기적 저항도는 저온에서 T³ 의존성을 보이며, 이는 페르미 액체 행동의 붕괴와 스핀 균형을 이룬 금속 상의 발생을 시사한다.
• H_c 근처의 무자기 상에서 저항도는 비선형 T^{1/2} 의존성을 보이며, 비열의 자기기여항 C_e/T 는 -ln T 발산을 나타내며, 이는 QCP 근처의 비페르미 액체 행동의 상징적 특징이다.
• 저항도 계수 A 는 H_c 에 접근함에 따라 (H - H_c)^{-1} 로 발산함으로써 양자临계 변동의 존재를 확인한다.
• 카도와키-워즈 비율 A/γ² 는 일정하지 않으며, 이는 H_c 근처에서 다중 에너지 척도와 표준 페르미 액체 스케일링의 붕괴를 시사한다.
• 단계도는 H_c 이상에서 매우 좁은 오버랩 영역(n ≈ 2, 페르미 액체 유사)을 보이지만, 이는 진정한 페르미 액체 상이 아니며, 최저온도에서 T³ 행동이 지배한다.

Figure 2: Upper panel: In-plane resistivity $\rho$ of CeAuSb 2 as a function of $H$ . Middle panel: The resulting phase diagram indicating the AF phase boundary, the PM region, and the region in field where NFL behavior is found. Arrows indicate the critical fields of the metamagnetic transitions. N