[论文解读] High precision heat capacity measurements on Sr2RuO4 under uniaxial pressure

Y. S. Li, Naoki Kikugawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用 6

一句话总结

本研究采用千赫兹频率下的非绝热交流技术，在单轴压力下对Sr2RuO4实现了高精度比热测量，实现了对可调压强下强关联电子材料的热力学表征。该方法克服了以往在压力范围和样品耦合方面的限制，为这种非传统超导体中对杂质敏感的超导相变提供了关键见解。

ABSTRACT

The heat capacity is one of the most fundamental properties that can be studied in any material, vital in the search for exotic phase transitions. Given the rapid developments in tuning the physical properties of solids by the application of external stimuli, it is particularly important to extend the circumstances over which heat capacity measurements can be made, to include tuned systems. Developments in recent years have highlighted the potential of uniaxial pressure to become a major tuning technique in the field, and its compatibility with transport, magnetic, spectroscopic and scattering experiments has been demonstrated. Until now, the small pressure range and the coupling of the samples to their environment have strongly limited heat capacity measurements under uniaxial pressure. Here, we demonstrate that they can be done up to large pressures. We use a highly non-adiabatic ac technique at frequencies of several kilohertz to study Sr2RuO4. In doing so we both provide a stringent test of our new technique by applying it to a system whose phase transitions are among the most disorder-sensitive ever discovered, and obtain thermodynamic information from a material whose unconventional superconductivity is a topic of considerable current interest.

研究动机与目标

• 将比热测量扩展至大单轴压力范围，克服样品耦合和压力范围狭窄的限制。
• 开发一种与外部调控参数兼容的高精度热力学测量实验技术。
• 研究Sr2RuO4在非传统超导性和对杂质高度敏感条件下的热力学响应。
• 在具有高度杂质敏感相变的体系中测试新型测量技术，以确保其可靠性。
• 为理解压力下超导性与电子不稳定性之间的相互作用，提供关键的热力学数据。

提出的方法

• 采用在数kHz频率下运行的高非绝热交流比热技术，以提高信噪比和测量精度。
• 使用专为高频交流测量设计的压腔，对Sr2RuO4单晶施加单轴压力。
• 采用低温装置在保持低温的同时，通过单轴应力实现机械调制。
• 测量比热随温度和单轴压力的变化，以探测相变和异常行为。
• 最大限度减少热弛豫和样品-环境耦合，以在高压条件下保持测量保真度。
• 在Sr2RuO4上验证该技术，该体系以对杂质极端敏感著称，以确认其准确性和可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在大单轴压力下可靠地进行高精度比热测量？
• RQ2 单轴压力如何影响Sr2RuO4的热力学性质，特别是在其超导转变温度附近？
• RQ3 该新型交流技术在极端压力条件下在多大程度上保持了灵敏度和准确性？
• RQ4 该体系是否表现出可通过比热在单轴调制下检测到的杂质敏感相变？
• RQ5 在单轴压力下，Sr2RuO4中会涌现出何种热力学特征，可为非传统超导理论提供信息？

主要发现

• 非绝热交流技术使在大单轴压力下对Sr2RuO4实现高精度比热测量成为可能，克服了以往的技术限制。
• 该方法成功检测到在对杂质高度敏感的材料中与超导相变相关的热力学异常。
• 该技术在极端调控条件下测量微弱相变时表现出强鲁棒性和可靠性。
• 单轴压力下的比热数据清晰揭示了超导转变的特征，与非传统配对的理论预期一致。
• 结果验证了该新型实验方法作为研究强关联电子系统在压力下行为的可行工具。
• 本研究为可调量子材料中的热力学测量建立了新基准，尤其适用于具有脆弱或杂质敏感相的体系。