[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究在高达33 T的磁场下报告了UPt₃中的磁声量子振荡（MAQO），揭示了在ab平面和c轴方向磁场下均存在的场诱导Lifshitz转变。来自能带1中δ轨道的主导MAQO（有效质量为33mₑ）在20 T的元磁转变处消失，表明费米面发生重大重构；而在c轴方向磁场下，24.8 T和30 T处的振幅与频率突变，分别对应新的自旋密度波态和额外的Lifshitz转变。

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.

研究动机与目标

• 通过磁声测量研究UPt₃中磁场依赖的量子振荡，以探测费米面拓扑结构。
• 在高磁场下识别重费米子超导体UPt₃中的Lifshitz转变。
• 将观测到的振荡异常与已知的元磁转变和自旋密度波转变相关联。
• 检测此前通过de Haas-van Alphen或Shubnikov-de Haas方法未观测到的新费米面轨道。

提出的方法

• 在ab平面和c轴方向磁场下，对UPt₃进行了高达33 T的磁声量子振荡（MAQO）测量。
• 通过分析声速振荡的磁场演化，提取费米面轨道的频率和有效质量。
• 将观测到的振荡频率与现有的能带结构计算结果以及先前的de Haas-van Alphen/Shubnikov-de Haas数据进行对比。
• 通过振荡频率和振幅的突变，特别是c轴方向下24.8 T和30 T处的异常，识别出场诱导的Lifshitz转变。
• 以Lifshitz-Kosevich理论形式为参考，对比偏差以指示费米面重构。
• 将观测到的转变与近期报道的c轴方向磁场下自旋密度波态相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ab平面和c轴方向磁场下，UPt₃中的磁声量子振荡如何随磁场演化？
• RQ2 在接近20 T元磁转变时，为何MAQO频率随磁场增加而上升？
• RQ3 在c轴方向磁场下，24.8 T和30 T处MAQO振幅与频率的突变是否对应Lifshitz转变及新的自旋密度波态？
• RQ4 哪些费米面轨道导致了观测到的MAQO？与以往de Haas-van Alphen和Shubnikov-de Haas测量结果相比有何异同？
• RQ5 在ab平面方向20 T处的元磁转变在多大程度上诱导了费米面重构，特别是在能带1中？

主要发现

• 在ab平面方向，MAQO从约12 T开始，随磁场增强而增长，主导频率持续上升至20 T的元磁转变点。
• 主导MAQO来自能带1中的δ轨道，有效质量为33mₑ，该振荡在20 T元磁转变后消失，表明发生了显著的费米面重构。
• 在B ∥ ab平面且B < 20 T时，观测到的轨道与以往de Haas-van Alphen和Shubnikov-de Haas测量结果一致。
• 检测到多个新费米面轨道，其中部分与能带理论预测相符，另一些则表现出此前未观测到的频率。
• 在B ∥ c轴方向，MAQO从约12 T开始逐渐增强，随后在24.8 T处出现振幅与频率的突然变化，表明发生了Lifshitz转变。
• 在c轴方向30 T处的额外突变与新发现的自旋密度波态一致，进一步表明发生了Lifshitz转变。