[論文レビュー] Quantum criticality and disorder in the antiferromagnetic critical point of NiS$_{2}$ pyrite

Nao Takeshita, Shinya Takashima+6 more|ArXiv.org|Apr 4, 2007

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、静水圧下における純粋なNiS₂ピリチオンの量子臨界性を調査し、反強磁性量子臨界点（QCP）に近い広い順磁性領域において、非フェルミ液体行動を示すT³²  依存性の抵抗率が、非常に強い形で維持されることを明らかにした。これは、不純物を含むNiS₂₋ₓSeₓ固体溶液で観察される標準的なT²フェルミ液体回復と対照的である。主な発見は、教科書的なQCPの振る舞いを引き起こすのは臨界性ではなく不純物であるということであり、これは散乱が純粋系における非フェルミ液体物理学を隠蔽する根本的な役割を果たしていることを示唆している。

ABSTRACT

A quantum critical point (QCP) between the antiferromagnetic and the paramagnetic phases was realized by applying a hydrostatic pressure of ~ 7 GPa on single crystals of NiS_{2} pyrite with a low residual resistivity, rho_{0}, of 0.5 mu-Omega-cm. We found that the critical behavior of the resistivity, rho, in this clean system contrasts sharply with those observed in its disordered analogue, NiS_{2-x}Se_{x} solid-solution, demonstrating the unexpectedly drastic effect of disorder on the quantum criticality. Over a whole paramagnetic region investigated up to P = 9 GPa, a crossover temperature, defined as the onset of T^{2} dependence of rho, an indication of Fermi liquid, was suppressed to a substantially low temperature T sim 2 K and, instead, a non Fermi liquid behavior of rho, T^{3/2}-dependence, robustly showed up.

研究の動機と目的

• 反強磁性量子臨界点に近い純粋系と不純物を含む系を比較することで、不純物が量子臨界行動に与える役割を調査すること。
• QCP周辺で観察される標準的なT²抵抗率のV字型回復（フェルミ液体行動）が普遍的特徴であるのか、それとも不純物由来のアーティファクトであるのかを特定すること。
• 非フェルミ液体行動が純粋な量子臨界系に固有のものであるのか、あるいは弾性散乱によって抑制されているのかを検討すること。
• 低残留抵抗率を示す系において、標準的な理論的量子臨界性の図式が成立するかどうかを明確にすること。

提案手法

• 高純度および低残留抵抗率（ρ₀ ≈ 0.5 μΩ·cm）を達成するために、蒸気輸送法を用いてNiS₂の単結晶を合成した。
• 最大9 GPaの静水圧を印加し、反強磁性から順磁性への量子臨界点を走査した。
• 系の相図全体にわたるρ(T)の変化を追跡するために、温度および圧力依存の抵抗率測定を実施した。
• 抵抗率の臨界行動を分析するため、ρ(T)をべき乗則にフィットした：フェルミ液体ではT²、非フェルミ液体ではT³²  を用いた。
• 不純物効果を分離するために、以前に報告されたNiS₁.₃Se₀.₇（ρ₀ ≈ 60 μΩ·cm）の圧力下のデータと比較した。
• 臨界行動の温度および圧力依存性を可視化するため、抵抗率指数nの位相図および等高線図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反強磁性量子臨界点周辺で、標準的なT²抵抗率のV字型回復は純粋系においても維持されるか？
• RQ2 Se置換によって導入された不純物は、量子臨界点近傍でのフェルミ液体秩序の出現にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ非フェルミ液体行動（T³²  依存性）は純粋なNiS₂では頑健であるが、不純物を含むNiS₂₋ₓSeₓでは観察されないのか？
• RQ4 純粋系におけるフェルミ液体秩序の抑制は、k空間または実空間における相分離によって説明可能か？
• RQ5 NiS₂₋ₓSeₓで観察される教科書的な量子臨界行動は、不純物由来の散乱によるものであり、内在的な臨界揺らぎによるものではないのか？

主な発見

• 純粋なNiS₂における反強磁性量子臨界点は約7 GPaで達成され、低残留抵抗率（0.5 μΩ·cm）を示し、系の高純度が確認された。
• 純粋なNiS₂では、2 K未満でT²フェルミ液体行動が抑制され、代わりにT³²  依存性の抵抗率が9 GPaに達するまで、全順磁相領域にわたり顕著に支配的となった。
• 標準的な量子臨界理論の特徴であるT²抵抗率のV字型回復は、純粋なNiS₂には観察されず、ρ₀ ≈ 60 μΩ·cmを示す不純物を含むNiS₁.₃Se₀.₇では明確に観察された。
• 非フェルミ液体T³²  行動は、最低測定温度（約2 K）まで持続したため、臨界点からもはるかに離れた領域でもフェルミ液体秩序の破綻が示された。
• 純粋系と不純物系の対比から、教科書的なT²回復は臨界揺らぎではなく、不純物由来であることが明らかになった。
• これらの結果は、標準的な理論的枠組みが純粋系における非フェルミ液体行動を記述できないことを示唆しており、相分離や強化された散乱効果といった、欠落している要素が存在する可能性を示唆している。