[논문 리뷰] Pressure effects on the heavy-fermion antiferromagnet CeAuSb2

S. Seo, V. A. Sidorov외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 23.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고품질의 CeAuSb2, 즉 헤비-페르미온 반자성체에서의 압력 유도 양자 상전이를 조사한다. 5.5 GPa까지의 전기 저항도 및 열용량 측정을 통해, 2.1 GPa 이상에서 새로운 상이 나타나며, 도머형 전이와 여러 상의 공존을 보이는 복잡한 자성 상도를 규명하였으며, T² 저항도 행동과 증가하는 A 및 ρ₀ 계수는 높은 압력에서 자성 양자临계점이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The f-electron compound CeAuSb2, which crystallizes in the ZrCuSi2-type tetragonal structure, orders antiferromagnetically between 5 and 6.8 K, where the antiferromagnetic transition temperature T_N depends on the occupancy of the Au site. Here we report the electrical resistivity and heat capacity of a high-quality crystal CeAuSb2 with T_N of 6.8 K, the highest for this compound. The magnetic transition temperature is initially suppressed with pressure, but is intercepted by a new magnetic state above 2.1 GPa. The new phase shows a dome shape with pressure and coexists with another phase at pressures higher than 4.7 GPa. The electrical resistivity shows a T^2 Fermi liquids behavior in the complex magnetic state, and the residual resistivity and the T^2 resistivity coefficient increases with pressure, suggesting the possibility of a magnetic quantum critical point at a higher pressure.

연구 동기 및 목표

• 고품질의 CeAuSb2 단일결정에서 T_N = 6.8 K에서의 자성 순서와 전자 상관관계의 압력 의존성을 조사하기 위해.
• 불순물 영향을 최소화하기 위해 잔류 저항비(RRR = 14)가 높은 거의 스토이키오메트릭인 단일결정을 사용하여 이전 연구의 모순을 해결하기 위해.
• 전자적 성질의 발산을 통해 나타나는 것처럼, 압력이 CeAuSb2를 자성 양자临계점으로 향하게 하는지 확인하기 위해.
• 압력 하에서의 결정립 전기장(Crystalline Electric Field, CEF) 효과와 경쟁하는 RKKY/콘도 상호작용의 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• CeAuSb2의 고품질 단일결정은 금속 Au 과잉을 포함한 자가용매법으로 합성되었으며, 전자 미세분석을 통해 Au 자리 결함이 최소화되었음을 확인하였다.
• 전기 저항도는 4He 냉각기에서 300 K에서 1.2 K까지의 온도 범위에서 수압을 이용한 4점 측정법으로 측정하였다.
• 열용량 측정은 교류 열량측정법을 사용하였으며, 진동하는 열입력을 제공하고, 유형 E 열전대를 이용해 2f 주파수에서의 온도 진동을 감지하였다.
• 압력은 하이브리드 Be-Cu/NiCrAl 클램프형 세포(최대 3 GPa)와 베릴륨-에폭시 고정판 및 테프론 캡슐을 사용한 토이로이드 앤빌 세포(최대 5.5 GPa)를 이용하여 적용하였으며, Pb의 초전도 전이 온도를 기반으로 校정하였다.
• 압력에 따른 T² 저항도 계수 A와 잔류 저항도 ρ₀의 변화를 추출하여 양자 임계 행동을 탐색하였다.
• 저항도 비정상성과 열용량 데이터를 바탕으로 자성 상도를 구성하였으며, 상 경계와 전이 온도를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력이 CeAuSb2의 반자성 전이 온도 T_N을 0으로 향해 억제하는가? 이는 자성 양자临계점의 존재를 시사하는가?
• RQ2 2.1 GPa 이상에서 새로운 자성 상이 나타나는 것이 전자 행동과 저항도 스케일링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결정립 전기장(Crystalline Electric Field, CEF) 효과와 경쟁하는 RKKY/콘도 상호작용이 압력에 의해 유도되는 CeAuSb2의 상전이를 얼마나 좌우하는가?
• RQ4 비단조화적인 상 전이와는 달리, T² 저항도 계수 A와 잔류 저항도 ρ₀가 압력에 따라 단조로이 증가하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 측정 범위를 초월한 압력에서 관측된 A와 ρ₀의 증가가 자성 양자临계점의 존재를 시사하는가?

주요 결과

• 반자성 전이 온도 T_N은 압력에 따라 감소하지만, 2.1 GPa에서 억제되며, 여기서 새로운 자성 상(상 1)이 나타나며 도머형 T_N 프로파일을 보인다.
• 4.7 GPa 이상에서는 두 번째 새로운 상(상 2)이 상 1과 공존하며, 압력 하에서 복잡한 자성 순서 경쟁을 시사한다.
• 모든 압력에서 1.2 K까지 T² 저항도 행동을 보이며, 전체 상도에서 랑두-페르미 액체 행동이 지배적임을 확인한다.
• 1 bar에서 5.5 GPa 사이에서 T² 저항도 계수 A는 0.56에서 2.64 μΩ·cm·K⁻²로 증가하여 효과적인 전자 질량이 4.7배 증가함을 나타낸다.
• 동일한 압력 범위에서 잔류 저항도 ρ₀는 4.42에서 10.09 μΩ·cm로 증가하며, A와 유사한 상대적 증가를 보이며 산란과 질량 증강이 증가함을 시사한다.
• 비단조화적인 상 전이와는 달리 A와 ρ₀가 5.5 GPa까지 단조로이 증가함에 따라, 더 높은 압력에서 자성 양자临계점이 존재할 가능성이 제기된다.