[论文解读] Magnetic field-tuned quantum critical point in CeAuSb_2

Luis Balicas, Satoru Nakatsuji+4 more|eScholarship (California Digital Library)|Nov 23, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用 10

一句话总结

本研究在重费米子化合物 CeAuSb₂ 中识别出一个磁场调控的量子临界点（QCP），其中临界场 H_c ≈ 5.4 T 将反铁磁序抑制至绝对零度。在 H_c 处，系统表现出非费米液体行为，电阻率呈次线性依赖（ρ ∝ T^{1/2}），比热呈现对数发散（C_e/T ∝ -ln T）；而在更高场下，电阻率呈现 T³ 依赖关系，表明在 QCP 之外费米液体行为发生破坏。

ABSTRACT

Transport, magnetic and thermal properties at high magnetic fields (H) and low temperatures (T) of the heavy fermion compound CeAuSb_2 are reported. At H=0 this layered system exhibits antiferromagnetic order below T_N = 6 K. Applying B along the inter-plane direction, leads to a continuous suppression of T_N and a quantum critical point at H_c ~ 5.4 T. Although it exhibits Fermi liquid behavior within the Neel phase, in the paramagnetic state the fluctuations associated with H_c give rise to unconventional behavior in the resistivity (sub-linear in T) and to a TlnT dependence in the magnetic contribution to the specific heat. For H > H_c and low T the electrical resistivity exhibits an unusual T^3-dependence.

研究动机与目标

• 研究在高磁场和低温条件下 CeAuSb₂ 中的量子临界行为。
• 确定 CeAuSb₂ 中是否存在磁场调控的量子临界点（QCP）及其相关的输运与热力学异常。
• 考察在 H_c 以上顺磁相中费米液体行为的破坏以及非常规 T³ 电阻率的出现。
• 将 CeAuSb₂ 中的磁场调控 QCP 与 YbRh₂Si₂ 和 Sr₃Ru₂O₇ 等其他重费米子体系进行比较。

提出的方法

• 在温度低至 25 mK、磁场最高达 12 T 的条件下，对 CeAuSb₂ 单晶进行了高精度输运、磁性和热学测量。
• 测量了平面内电阻率 ρ(T)，以识别偏离费米液体行为（T²）的迹象，并检测非费米液体标度（T^{1/2} 或 T³）。
• 测量了比热 C(T)，通过减去 LaAuSb₂ 参考样品的贡献，提取了磁性贡献 C_e(T)，从而确定了 Sommerfeld 系数 γ 和 C_e/T 的行为。
• 计算了 Kadowaki-Woods 比率 A/γ²，以探究准粒子散射的本质并识别多重能量尺度。
• 基于 ρ(T)、C(T) 和磁场依赖性构建相图，临界场 H_c 通过 T_N 的抑制至零来确定。
• 在 T-H 平面中绘制了 ρ(T) ∝ T^n 中指数 n 的分布，以识别非费米液体区域（n ≲ 1）、费米液体区域（n = 2）以及异常 T³ 行为区域（n = 3）。

Figure 1: a) $T$ -dependence of the in-plane resistivity $\rho$ of a CeAuSb 2 single crystal. At $T_{N}$ a pronounced change in slope is observed, below which FL behavior is recovered. b) This behavior is suppressed and a sub-linear $T$ -dependence is observed when $T_{N}\rightarrow 0$ . c) At highe

实验结果

研究问题

• RQ1 CeAuSb₂ 是否在 H_c ≈ 5.4 T 处表现出磁场调控的量子临界点（QCP），如 T_N 被抑制至零所指示？
• RQ2 在 H_c 以上顺磁相中，电子行为的性质如何，特别是电阻率和比热的标度行为？
• RQ3 为何在高场和低温下电阻率呈现 T³ 依赖关系，其与标准费米液体行为有何不同？
• RQ4 当 H 接近 H_c 时，电阻率系数 A 和 T³ 项系数 A₃ 如何变化，这对临界发散意味着什么？
• RQ5 CeAuSb₂ 中观察到的非费米液体行为是否与单一普适类一致，还是与其他磁场调控 QCP 体系有本质区别？

主要发现

• 当磁场沿层间方向施加时，Néel 温度 T_N 在临界场 H_c = 5.3 ± 0.2 T 处被连续抑制至零。
• 在 H_c 以上，电导率在低温下表现出 T³ 依赖关系，表明费米液体行为被破坏，并出现自旋极化金属相。
• 在 H_c 附近的顺磁相中，电阻率表现出次线性 T^{1/2} 依赖关系，且磁性比热贡献 C_e/T 显示出 -ln T 发散，二者均为接近 QCP 时非费米液体行为的典型特征。
• 电阻率系数 A 在接近 H_c 时按 (H - H_c)^{-1} 发散，证实了量子临界涨落的存在。
• Kadowaki-Woods 比率 A/γ² 并非常数，表明存在多重能量尺度，且在 H_c 附近标准费米液体标度关系发生破坏。
• 相图显示，在 H_c 以上存在一个狭窄的交叉区域，其 n ≈ 2（费米液体类似），但此并非真正的费米液体相，因为在最低温下 T³ 行为占主导地位。

Figure 2: Upper panel: In-plane resistivity $\rho$ of CeAuSb 2 as a function of $H$ . Middle panel: The resulting phase diagram indicating the AF phase boundary, the PM region, and the region in field where NFL behavior is found. Arrows indicate the critical fields of the metamagnetic transitions. N