[논문 리뷰] Magnetism and Superconductivity in CeRhIn5

G. Knebel, Dai Aoki외 1명|ArXiv.org|2009. 11. 27.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 압력과 자장 하에서 중량 페르미온 화합물 CeRhIn5에서 반자성과 초전도성의 공존을 조사한다. 특별열량 및 자화도 측정을 통해, 압력 및 자장 영역에서 두 상이 미세구조적으로 공존하는 것을 입증하였으며, 숨겨진 양자临계점과 자장 유도 재진입 반자성 순서를 밝혀내었고, 고임도 컵레이트와 뚜렷한 유사성을 보였다.

ABSTRACT

We give a review of recent results on the heavy fermion superconductor CeRhIn$_5$ which presents ideal conditions to study the interplay of antiferromagnetism and superconductivity. The main results are the appearance of domains of microscopic coexistence of antiferromagnetism and superconductivity under both, pressure and magnetic field scans. At zero magnetic field, under pressure coexistence appears from the onset of pressure induced superconductivity up to the critical pressure $p_c^\star$ where antiferrmognetism disappears abruptly. Under magnetic field, re-entrance of magnetic order inside the superconducting state occurs in the pressure range from $p_c^\star$ up to $p_c$. The antiferromagnetic quantum critical point is hidden by the onset of superconductivity. A striking point is the similarity of the phase diagram of CeRhIn$_5$ and that of the high $T_c$ cuprate superconductors where for the cuprates the carrier concentration replaces the pressure. Both systems are characterized by: hidden magnetic quantum criticality, field reentrance of magnetism and the strong link to a Fermi surface instability.

연구 동기 및 목표

• 중량 페르미온 시스템 CeRhIn5에서 반자성과 초전도성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 반자성 및 초전도성 순서가 미세구조적으로 공존하는 조건을 규명하기 위해.
• 압력과 자장이 양자临계 행동을 조절하고 숨겨진 반자성 양자临계점이 드러나는 데서의 역할을 탐구하기 위해.
• 강한 상관 전자계에서의 보편적 특성을 식별하기 위해 CeRhIn5의 상도표를 고임도 컵레이트 초전도체의 상도표와 비교하기 위해.

제안 방법

• CeRhIn5의 압력-온도 상도표를 그려내기 위해 고압 특성열 및 자화도 측정을 수행하였다.
• 초전도 상태 내에서 반자성 순서의 재진입을 탐색하기 위해 자장 스캔을 실시하였다.
• 압력이 4f 전자와 도체 전자 간의 혼합을 조절함으로써, 경쟁하는 코나 및 RKKY 상호작용의 관점에서 상도표를 분석하였다.
• CeRhIn5의 압력을 컵레이트의 실리콘 농도에 대응시켜 고임도 컵레이트 초전도체와의 비교 분석을 수행하였다.
• 특성열 및 자화율의 전이를 통해 초전도성의 시작과 반자성의 억제를 추적하였다.
• 스핀 변동 이론 및 국소 양자临계점 이론과 같은 이론적 프레임워크를 사용하여 관측된 상 공존 및 임계 행동을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeRhIn5에서 압력 하에서 반자성 순서가 초전도성과 미세구조적으로 공존하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 자장의 도입이 초전도 상태 내에서 반자성 순서의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CeRhIn5의 양자临계점의 성격은 무엇이며, 왜 초전도성이 이를 숨기고 있는가?
• RQ4 상호작용하는 순서가 존재하는 조건에서 CeRhIn5와 고임도 컵레이트의 상도표가 얼마나 보편적인 행동을 보이는가?
• RQ5 CeRhIn5에서 양자临계점 근처에서 피어미 표면은 어떻게 변화하며, 이는 초전도성의 발생에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 압력 유도 초전도성의 시작부터 임계 압력 $p_{c}^{ullet}$까지 CeRhIn5에서 반자성과 초전도성이 미세구조적으로 공존하는 것이 관찰되었다. 이 압력에서 반자성이 갑작스럽게 사라진다.
• 자장 하에서 초전도 상태 내에서 재진입 반자성 순서가 압력 범위 $p_{c}^{ullet} < p < p_{c}$에서 나타나, 자장 유도로 반자성 순서가 안정화됨을 시사한다.
• 압력 $p_{c}$에서의 반자성 양자临계점은 초전도성에 의해 숨겨져 있으며, 이는 장거리 반자성 질서를 억제하고 진짜 임계점이 0자장에서 $p_{c}^{ullet}$로 이동시킨다.
• CeRhIn5에서 최대 초전도 전이 온도 $T_{c}^{ ext{max}} \approx 2$ K는 임계 압력 $p_{c}$와 정확히 일치하며, 고임도 컵레이트에서의 최적 도핑 $x_{m}$와 유사하다.
• CeRhIn5와 고임도 컵레이트 사이에 뚜렷한 유사성이 발견되었다: 둘 다 숨겨진 양자临계점, 자장 유도 재진입 반자성, 피어미 표면 불안정성과의 강한 연관성을 보인다.
• CeRhIn5에서 압력 $p_{c}$에서 작은 피어미 표면에서 큰 피어미 표면으로의 전이가 4f 전자의 국소화에서 이동성으로의 전환과 관련이 있으며, 이는 컵레이트에서 $x_{m}$에서의 피어미 표면 재구성과 유사하다.