[論文レビュー] High Field Lifshitz Transitions and Magneto AcousticQuantum Oscillations in UPt_3

Ludwig Holleis, V. W. Ulrich+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、UPt₃における33 Tまでの磁気音響量子振動（MAQO）を報告し、ab面およびc軸磁場方向における場誘起Lifshitz遷移を明らかにした。バンド1のδ軌道（有効質量33mₑ）に起因する主なMAQOは、20 Tの代磁性転移で消失し、これはフェルミ面の顕著な再構成を示唆する。c軸磁場において24.8 Tおよび30 Tで観測された周波数の急激な変化は、新しいスピン密度波状態および追加のLifshitz遷移を示している。

ABSTRACT

We report magneto-acoustic quantum oscillations (MAQO) in the heavy fermion system UPt$_3$ in magnetic fields B, upto 33 T. For B in the ab-plane of the hexagonal crystal MAQO in the sound velocity commence at $\approx$ 12 T and grow with field. However, in contrast to typical Lifshitz-Kosevich behaviour the frequency corresponding to the dominant oscillation increases continuously as the metamagnetic transition (MMT) at 20 T is reached. This dominant MAQO arises from the $\delta$ orbit of band 1 with a large effective mass of 33 m$_e$, for B $<$ 20 T and disappears after the MMT. Thus, the MMT involves a significant change of the Fermi surface, primarily in band 1. For B $\parallel$ ab-plane and $<$ 20 T we reproduce successfully orbits established through previous de Haas-van Alphen and Shubnikov de Haas measurements. We also observe several new orbits, some that can be identified with existing band theory and others not seen previously with completely new frequencies. For B $\parallel$ c-axis we observe MAQOs which also commence at $\approx$ 12 T and grow gradually but break suddenly into a large amplitude and change in frequency at 24.8 T. These enhanced oscillations get weaker again at 30 T. These abrupt changes at 24.8 T and 30 T are signatures of Lifshitz transitions and coincide with the newly discovered spin density wave states for this orientation reported by us recently.

研究の動機と目的

• 磁気場依存の量子振動を磁気音響測定を用いて調査し、フェルミ面の位相を調べること。
• 高磁場下における重いフェルミオン超伝導体UPt₃におけるLifshitz遷移を同定すること。
• 観測された振動異常を既知の代磁性およびスピン密度波転移と関連付けること。
• de Haas-van Alphen法やShubnikov-de Haas法では以前に観測されていなかった新たなフェルミ面軌道を検出すること。

提案手法

• ab面およびc軸磁場方向において、UPt₃における33 Tまでの磁気音響量子振動（MAQO）測定を実施した。
• 音速の振動の磁場依存的変化を解析し、フェルミ面軌道の周波数および有効質量を抽出した。
• 観測された周波数を既存のバンド構造計算および先行するde Haas-van Alphen／Shubnikov-de Haasデータと比較した。
• c軸方向において24.8 Tおよび30 Tで観測された、周波数および振幅の急激な変化を用いて、場誘起Lifshitz遷移を同定した。
• 予想される挙動の基準としてLifshitz-Kosevich形式を用い、フェルミ面再構成を示唆する乖離を対比した。
• 観測された転移を、c軸磁場配置における最近報告されたスピン密度波状態と関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ab面およびc軸方向における磁場依存の磁気音響量子振動は、どのように変化するか？
• RQ2 20 Tの代磁性転移に近づくに従い、周波数が増加する原因は何か？
• RQ3 c軸方向において24.8 Tおよび30 Tで観測されたMAQOの振幅および周波数の急激な変化は、Lifshitz遷移および新しいスピン密度波状態に対応するか？
• RQ4 観測されたMAQOに寄与するフェルミ面軌道はどれであり、それらは従来のde Haas-van Alphen法およびShubnikov-de Haas法による測定結果とどのように比較できるか？
• RQ5 ab面方向の20 Tにおける代磁性転移は、特にバンド1においてフェルミ面再構成をどの程度引き起こすか？

主な発見

• ab面方向では、MAQOは約12 Tで始まり、磁場とともに増大し、20 Tの代磁性転移に達するまで周波数が連続的に増加する。
• 主なMAQOは、有効質量33mₑのバンド1におけるδ軌道に起因するが、20 Tの代磁性転移後に消失し、フェルミ面の顕著な再構成を示唆する。
• B ∥ ab面かつB < 20 Tの領域では、観測された軌道は、従来のde Haas-van Alphen法およびShubnikov-de Haas法による測定結果と整合的である。
• いくつかの新しいフェルミ面軌道が検出され、その一部はバンド理論の予測と一致し、他の一部は以前に観測されていなかった周波数を示した。
• B ∥ c軸の場合、MAQOは約12 Tで始まり、徐々に増大するが、24.8 Tで振幅および周波数が急激に変化し、Lifshitz遷移を示唆する。
• c軸配置において30 Tで観測された追加の急激な変化は、新たに発見されたスピン密度波状態と一致し、さらなるLifshitz遷移を示唆している。