[논문 리뷰] Quantum Criticality in doped CePd_1-xRh_x Ferromagnet

J.G. Sereni, T. Westerkamp외 4명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 24.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 다량체적 열린 CePd₁₋ₓRhₓ에서의 양자临界성을, 다양한 열역학적 및 전송 측정을 통해 조사한다. x ≈ 0.87에서 자성 전이 온도 T_C가 25 mK로 감소하고, 열용량이 거듭제곱 법칙으로 발산하는 (C_m/T ∝ T^−0.5) 현상이 관측되어, 양자 플럭추에이션에 의해 유도된 비페르미 액체 행동이 나타남을 시사한다. 이는 랜덤한 코나이와 RKKY 결합에 의해 유도되는 자성과 혼합가역성 특성이 공존하는 상태이다.

ABSTRACT

CePd_1-xRh_x alloys exhibit a continuous evolution from ferromagnetism (T_C= 6.5 K) at x = 0 to a mixed valence (MV) state at x = 1. We have performed a detailed investigation on the suppression of the ferromagnetic (F) phase in this alloy using dc-(χ_dc) and ac-susceptibility (χ_ac), specific heat (C_m), resistivity (ρ) and thermal expansion (β) techniques. Our results show a continuous decrease of T_C (x) with negative curvature down to T_C = 3K at x*= 0.65, where a positive curvature takes over. Beyond x*, a cusp in cac is traced down to T_C* = 25 mK at x = 0.87, locating the critical concentration between x = 0.87 and 0.90. The quantum criticality of this region is recognized by the -log(T/T_0) dependence of C_m/T, which transforms into a T^-q (~0.5) one at x = 0.87. At high temperature, this system shows the onset of valence instability revealed by a deviation from Vegard's law (at x_V~0.75) and increasing hybridization effects on high temperature χ_dc and ρ. Coincidentally, a Fermi liquid contribution to the specific heat arises from the MV component, which becomes dominant at the CeRh limit. In contrast to antiferromagnetic systems, no C_m/T flattening is observed for x > x_cr rather the mentioned power law divergence, which coincides with a change of sign of β. The coexistence of F and MV components and the sudden changes in the T dependencies are discussed in the context of randomly distributed magnetic and Kondo couplings.

연구 동기 및 목표

• Rh 도핑 농도(x)에 따른 자성체 CePd₁₋ₓRhₓ의 양자临계점(QCP)을 매핑하기 위해.
• 양자临계 환경에서 자성 주기, 혼합가역성 행동 및 코나이 스크리닝 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 관측된 비페르미 액체 행동이 양자临계 플럭추에이션에 기인하는지, 또는 경쟁하는 자성 주기와의 상호작용에 기인하는지 규명하기 위해.
• 불순성과 비균일한 코나이/RKKY 결합 분포가 고전적 임계성에서 양자 임계성으로의 전이에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• T_C의 변화와 임계 플럭추에이션 탐지에 따라 dc 및 ac 자화율(χ_dc, χ_ac) 측정을 통해 진행한다.
• 전자적 열용량과 준입자 산란을 조사하기 위해 열용량(C_m) 및 저항도(ρ) 측정을 수행한다.
• 체적 변화와 전자적 엔트로피 변화를 감지하여 가역성 불안정성을 탐지하기 위해 열팽창(β) 측정을 실시한다.
• 비페르미 액체 행동(로그 또는 거듭제곱 법칙 발산)을 식별하기 위해 T에 의존하는 C_m/T 및 χ_dc 분석을 수행한다.
• 주파수 의존성 χ_ac를 사용하여 양자临계 플럭추에이션과 스핀거품 유사 행동을 구분한다.
• 3D 이터너트 자성체가 양자临계점 근처에 있을 때의 이론 예측과 실험 데이터를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CePd₁₋ₓRhₓ에서의 정확한 양자临계점(QCP) 위치는 무엇이며, T_C(x)는 Rh 도핑에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 QCP 근처에서 열용량 C_m/T는 어떻게 행동하며, 그 온도 의존성은 비페르미 액체 행동에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 x ≈ 0.87를 초과할 경우, 왜 C_m/T가 거듭제곱 법칙으로 발산(∝ T^−0.5)하는가? 이는 반자성체 시스템과 어떻게 다를까?
• RQ4 가역성 불안정성과 코나이 스크리닝의 역할은 자성 주기를 억제하고 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 랜덤한 Pd/Rh 치환은 RKKY 및 코나이 결합 분포에 어떤 영향을 미치며, 이는 양자临계성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자성 전이 온도 T_C(x)는 Rh 도핑에 따라 계속 감소하며, x* ≈ 0.65까지 음의 곡률을 보이다가 이후 양의 곡률 尾를 보인다.
• T_C가 25 mK로 감소하는 임계 농도 x_cr ≈ 0.87이 확인되었으며, 이는 양자临계성의 시작을 나타낸다.
• x = 0.87에서 C_m/T는 ∝ T^−0.5 (q ≈ 0.5)로 거듭제곱 법칙으로 발산하며, 비페르미 액체 행동을 시사한다. 이는 고전적 임계 영역에서 관측되는 로그 의존성과 대조된다.
• x ≈ 0.87에서 열팽창 계수 β(T)의 부호가 변화하며, C_m/T 행동의 전이와 동시에 발생하여 전자 기저 상태 특성의 변화를 나타낸다.
• x_V ≈ 0.75에서 베파드 법칙에서의 이탈이 관측되어, 가역성 불안정성과 증가하는 하이브리드화의 시작을 시사하며, 이는 QCP 이전에 발생한다.
• 자성 주기와 강한 코나이 스크리닝의 공존은 Pd/Rh 불순성에 의해 유도된 RKKY 및 코나이 결합의 랜덤 분포로 인한 비균일한 전자 산란에 기인한다.