[논문 리뷰] Pressure dependence of the magnetization in the ferromagnetic superconductor UGe_2

C. Pfleiderer, Huxley, A. D.|arXiv (Cornell University)|2002. 08. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 UGe₂에서 초전도성의 원인이 pₓ ≈ 12.2 kbar에서 페로자성 전이 근처의 양자临계점이 아니라는 것을 입증한다. 이전에 제기된 가설과는 달리, 초전도 전이 온도 Tₛ(p)의 압력 의존성은 한 쪽 스핀 채널에서 전자 상태 밀도(DOS)의 급격한 피크에 기인하며, 이는 또한 두 페로자성 상(FM1 및 FM2) 사이의 1차 전이를 유도한다. 이 전이 동안 쌍성은 저에너지 자성 플랑크류가 아닌 유한 에너지에서의 가상 진동수에 의해 매개된다.

ABSTRACT

The recent discovery that superconductivity occurs in several clean itinerant ferromagnets close to low temperature magnetic instabilities naturally invites an interpretation based on a proximity to quantum criticality. Here we report measurements of the pressure dependence of the low temperature magnetisation in one of these materials, UGe_2. Our results show that both of the magnetic transitions observed in this material as a function of pressure are first order transitions and do not therefore correspond to quantum critical points. Further we find that the known pressure dependence of the superconducting transition is not reflected in the pressure dependence of the static susceptibility. This demonstrates that the spectrum of excitations giving superconductivity is not that normally associated with a proximity to quantum criticality in weak itinerant ferromagnets. In contrast our data suggest that instead the pairing spectrum might be related to a sharp spike in the electronic density of states that also drives one of the magnetic transitions.

연구 동기 및 목표

• UGe₂에서의 초전도 전이가 pₓ ≈ 12.2 kbar에서 양자临계점(QCP)과 관련이 있는지 확인하는 것.
• pₓ에서 관측된 자성 상전이의 성격과 초전도성의 압력 의존성과의 관계를 조사하는 것.
• 관측된 Tₛ(p) 의존성이 QCP 근처에 있는가 아니면 전자 상태 밀도의 급격한 특징을 포함하는 다른 메커니즘에 의해 설명될 수 있는지 테스트하는 것.
• 장에 의해 유도된 전이 Hₓ와 초전도 쌍성 메커니즘 사이의 관계를 검토하는 것.

제안 방법

• 수압을 가한 조건에서 UGe₂의 저온 자화를 측정하기 위해 구리:베이트 클램프 셀과 SQUID 기반 자화계를 사용한 방법.
• 자화 히스테리시스 루프의 압력 의존성을 분석하여 순서가 붙은 페로자성 모멘트와 그의 1차 전이를 추출하는 것.
• FM1과 FM2 상 사이의 장에 의해 유도된 전이 Hₓ와 그의 압력 의존성을 결정하는 것.
• 정적 종방향 자화율(dM/dH)의 압력 의존성을 초전도 전이 온도 Tₛ(p)와 비교하는 것.
• 데이터가 QCP 근처에서의 자성 진동수 스펙트럼의 로렌츠형 분포와 비교할 때, 유한 에너지에서 DOS의 피크에 대한 일致성을 평가하는 것.
• c축 방향 상한자기장 측정과 양자 진동 데이터를 사용하여 효과적 질량을 추론하고 DOS에서 코프다 유사 공명이 존재하는지 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UGe₂에서의 초전도 전이는 pₓ ≈ 12.2 kbar에서의 양자临계점에 가까이 있을까?
• RQ2 pₓ에서 관측된 자성 상전이의 성격은 무엇이며, 이는 제2종 전이인지 제1종 전이인지?
• RQ3 pₓ 이상에서 압력이 증가함에 따라 Tₛ(p)가 감소하는 이유는 무엇이며, 이는 QCP 근처에서의 기대와 어긋나는가?
• RQ4 FM1이 FM2로 변하는 장에 의해 유도된 전이 Hₓ는 초전도 쌍성 메커니즘과 관련이 있는가?
• RQ5 관측된 Tₛ(p)의 압력 의존성이 저에너지 자성 플랑크류가 아닌, 전자 상태 밀도의 유한 에너지 피크에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• pₓ ≈ 12.2 kbar에서의 자성 전이는 제1종 전이이며, 이는 이 압력에서 양자临계점이 존재하지 않음을 배제한다.
• 각 페로자성 상(FM1 및 FM2) 내에서 정적 종방향 자화율(dM/dH)은 거의 압력에 의존하지 않으며, 이는 QCP 근처에서의 기대와 정면으로 배치된다.
• pₓ 이상에서 초전도 전이 온도 Tₛ(p)는 압력이 증가함에 따라 감소하며, 이는 일반적으로 QCP와 관련된 저에너지 자성 진동수의 로렌츠형 스펙트럼과 일치하지 않는다.
• FM1과 FM2 사이의 장에 의해 유도된 전이 Hₓ는 압력이 증가함에 따라 증가하지만, Hₓ에서의 자화는 거의 일정하게 유지되며, 이는 전이가 한 쪽 스핀 채널에서 DOS의 급격한 피크를 통과할 때 발생함을 나타낸다.
• 관측된 Tₛ(p)의 압력 의존성은 저에너지 자성 플랑크류가 아닌, DOS의 유한 에너지 피크로 향하는 가상 진동수를 포함하는 쌍성 메커니즘에 의해 일관되게 설명된다.
• FM1에서는 증가한 효과적 질량이 관측되나 FM2에서는 그렇지 않은 양자 진동 데이터는 코프다 유사 공명이 존재하는 DOS의 특징과 일치하며, 이는 피크를 통과할 때 파괴됨을 뒷받침하며, 제안된 메커니즘을 지지한다.