[論文レビュー] Magnetic Kagome Superconductor CeRu$_2$

L. Z. Deng, M. Gooch+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、CeRu₂が、超伝導転移温度 Tc ~6 K と反強磁性秩序 (~40 K) が共存する磁性kagome超伝導体であることが特定され、第一原理計算によりフェルミ準拠近くに平坦なバンドが存在することが明らかになった。高圧 (>28 GPa) 条件では、Tcの再発現と二次的超伝導転移が観測され、kagome格子系における超伝導秩序と磁性秩序の強い結合が示された。

ABSTRACT

Materials with a kagome lattice provide a platform for searching for new electronic phases and investigating the interplay between correlation and topology. Various probes have recently shown that the kagome lattice can host diverse quantum phases with intertwined orders, including charge density wave states, bond density wave states, chiral charge order, and, rarely, superconductivity. However, reports of the coexistence of superconductivity and magnetic order in kagome materials remain elusive. Here we revisit a magnetic superconductor CeRu$_2$ with a kagome network formed by Ru atoms. Our first-principles calculations revealed a kagome flat band near the Fermi surface, indicative of flat-band magnetism. At ambient pressure, CeRu$_2$ exhibits a superconducting transition temperature ($T_{ ext{c}}$) up to ~ 6 K and a magnetic order at ~ 40 K. Notably, superconductivity and related behavior can be tuned by adjusting the amount of Ru. We conducted a systematic investigation of the superconductivity and magnetic order in CeRu$_2$ via magnetic, resistivity, and structural measurements under pressure up to ~ 168 GPa. An unusual phase diagram that suggests an intriguing interplay between the compound's superconducting order parameters has been constructed. A $T_{ ext{c}}$ resurgence was observed above pressure of ~ 28 GPa, accompanied by the sudden appearance of a secondary superconducting transition. Our experiments have identified tantalizing phase transitions driven by high pressure and suggest that the superconductivity and magnetism in CeRu$_2$ are strongly intertwined.

研究の動機と目的

• kagome格子材料CeRu₂における超伝導性と磁性の相関を調査すること。
• 特に高圧条件下において、超伝導性と磁性秩序が共存できるかどうかを特定すること。
• 第一原理計算と高圧測定を用いて、電子相関およびトポロジーの役割を調査すること。
• 圧力下におけるCeRu₂の相図をマッピングし、顕在する量子相を同定すること。
• 28 GPa以上で観測されたTc再発現の起源を解明すること。

提案手法

• フェルミ準拠近くに平坦なバンドを有する電子状態の特徴を特定するための第一原理密度汎関数理論(DFT)計算。
• 超伝導転移および磁性転移を調査するため、最大約168 GPaまでの一連の高圧抵抗率、磁化率、構造測定。
• 超伝導性および磁性特性をチューニングするためのルーティウム含有量の系統的変更。
• Tcおよび磁性秩序パラメータの変化を用いた圧力誘起相転移の分析。
• 平坦バンド磁性の理論的予測と実験的相図の相関。
• 構造的完全性および高圧下での相転移を確認するための高度な分光法および回折法の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeRu₂のようなkagome格子材料において、超伝導性と磁性秩序が共存可能か？
• RQ2 高圧は、CeRu₂における超伝導転移温度(Tc)をどのようにチューニングするか？
• RQ3 28 GPa以上で観測されたTc再発現の性質は何か？
• RQ4 電子相関および平坦バンドは、CeRu₂における超伝導性および磁性の出現にどのように寄与するか？
• RQ5 ルーティウム含有量は、CeRu₂における超伝導相と磁性相の相互作用をどのように調節するか？

主な発見

• CeRu₂は、常圧下で約6 Kの超伝導転移温度(Tc)を示す。
• 約40 Kで磁性秩序転移が観測され、超伝導性と磁性の共存が示された。
• 第一原理計算により、フェルミ準拠付近にkagomeの平坦バンドが存在することが判明し、平坦バンド磁性の可能性が示唆された。
• 28 GPa以上では、Tcの再発現が観測され、同時に二次的超伝導転移が出現した。
• 圧力下の相図は、複数の超伝導秩序パラメータの非自明な相互作用を示した。
• 高圧実験により、CeRu₂における超伝導性と磁性は強く絡み合っており、圧力が量子相をチューニングすることが明らかになった。