[논문 리뷰] Magnetic Kagome Superconductor CeRu$_2$

L. Z. Deng, M. Gooch외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 01.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초전도 전이 온도(Tc ~6 K)와 반자성 정렬(~40 K)이 공존하는 자성 카고메 초전도체 CeRu₂를 규명하였으며, 제1원리 계산을 통해 패배 에너지 수준 근처에 평탄한 밴드가 존재함을 밝혀냈다. 고압 조건에서(>28 GPa) Tc의 재발현과 제2차 초전도 전이가 나타나, 카고메 격자 시스템에서 초전도와 자성 순서 간의 강한 결합을 입증하였다.

ABSTRACT

Materials with a kagome lattice provide a platform for searching for new electronic phases and investigating the interplay between correlation and topology. Various probes have recently shown that the kagome lattice can host diverse quantum phases with intertwined orders, including charge density wave states, bond density wave states, chiral charge order, and, rarely, superconductivity. However, reports of the coexistence of superconductivity and magnetic order in kagome materials remain elusive. Here we revisit a magnetic superconductor CeRu$_2$ with a kagome network formed by Ru atoms. Our first-principles calculations revealed a kagome flat band near the Fermi surface, indicative of flat-band magnetism. At ambient pressure, CeRu$_2$ exhibits a superconducting transition temperature ($T_{ ext{c}}$) up to ~ 6 K and a magnetic order at ~ 40 K. Notably, superconductivity and related behavior can be tuned by adjusting the amount of Ru. We conducted a systematic investigation of the superconductivity and magnetic order in CeRu$_2$ via magnetic, resistivity, and structural measurements under pressure up to ~ 168 GPa. An unusual phase diagram that suggests an intriguing interplay between the compound's superconducting order parameters has been constructed. A $T_{ ext{c}}$ resurgence was observed above pressure of ~ 28 GPa, accompanied by the sudden appearance of a secondary superconducting transition. Our experiments have identified tantalizing phase transitions driven by high pressure and suggest that the superconductivity and magnetism in CeRu$_2$ are strongly intertwined.

연구 동기 및 목표

• 카고메 격자 물질인 CeRu₂에서 초전도와 자성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 특히 고압 조건에서 초전도와 자성 순서가 공존할 수 있는지 여부를 규명하기 위해.
• 제1원리 계산과 고압 측정을 통해 전자 상호작용과 위상학적 성질의 역할을 탐색하기 위해.
• 압력 하에서 CeRu₂의 상도를 그려내고 잠재적인 양자 상을 규명하기 위해.
• 28 GPa 이상에서 관측된 Tc 재발현의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 패배 에너지 수준 근처의 평탄한 밴드를 포함한 전자 구조 특성 규명을 위한 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 최대 약 168 GPa까지의 고압 전기저항, 자화율 및 구조 측정을 통해 초전도 및 자성 전이를 탐색.
• Ru 농도의 체계적 변화를 통해 초전도 및 자성 특성을 조절.
• Tc 및 자성 순서 매개변수의 변화를 분석하여 압력 유도 상전이를 규명.
• 실험적 상도와 평탄한 밴드 자성 이론 예측 간의 연관성 분석.
• 고급 스펙트로스코피 및 衍생법을 사용하여 고압 하에서의 구조적 안정성과 상전이를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeRu₂와 같은 카고메 격자 물질에서 초전도와 자성 순서가 공존할 수 있는가?
• RQ2 고압 조건에서 CeRu₂의 초전도 전이 온도(Tc)는 어떻게 조절되는가?
• RQ3 CeRu₂에서 28 GPa 이상에서 관측된 Tc 재발현의 성격은 무엇인가?
• RQ4 전자 상호작용과 평탄한 밴드는 CeRu₂에서 초전도와 자성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Ru 농도는 CeRu₂에서 초전도 및 자성 상 간의 상호작용 조절에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CeRu₂는 대기압에서 약 6 K의 초전도 전이 온도(Tc)를 나타낸다.
• ~40 K에서 자성 정렬 전이가 관측되어 초전도와 자성이 공존함을 시사한다.
• 제1원리 계산을 통해 패배 에너지 표면 근처에 카고메 평탄한 밴드가 존재함을 규명하여 평탄한 밴드 자성의 가능성을 제기한다.
• 약 28 GPa 이상에서 Tc 재발현이 발생하며, 제2차 초전도 전이가 나타난다.
• 압력 하에서의 상도는 다중 초전도 순서 매개변수 간의 이례적인 상호작용를 드러낸다.
• 고압 실험을 통해 CeRu₂에서 초전도와 자성이 강하게 얽혀 있으며, 압력이 양자 상을 조절함을 입증한다.