[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究识别出CeRu₂为一种磁性凯文图格（kagome）超导体，其具有共存的超导性（Tc ~6 K）与反铁磁序（~40 K），第一性原理计算揭示了费米能级附近存在平坦能带。在高压（>28 GPa）下，出现Tc回升及二次超导转变，揭示了凯文图格晶格体系中超导与磁序之间的强耦合。

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.

研究动机与目标

• 研究凯文图格晶格材料CeRu₂中超导性与磁性的相互作用。
• 确定在凯文图格体系中，特别是高压条件下，超导性与磁序是否能够共存。
• 通过第一性原理计算与高压测量，探究电子关联与拓扑性在其中的作用。
• 绘制CeRu₂在压力下的相图并识别出新兴的量子相。
• 理解在28 GPa以上观测到的Tc回升的起源。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，识别电子结构特征，包括费米能级附近的平坦能带。
• 进行高达~168 GPa的高压电阻率、磁化率及结构测量，以探测超导与磁性转变。
• 系统调节Ru含量，以调控超导与磁性特性。
• 通过Tc与磁序参数的演化分析压力诱导的相变。
• 将实验相图与平坦能带磁性的理论预测相关联。
• 利用先进光谱与衍射技术，确认高压下结构完整性与相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在凯文图格晶格材料如CeRu₂中，超导性与磁序能否共存？
• RQ2 高压如何调控CeRu₂中超导转变温度（Tc）？
• RQ3 在CeRu₂中，28 GPa以上观测到的Tc回升具有何种本质？
• RQ4 电子关联与平坦能带如何影响CeRu₂中超导性与磁性的出现？
• RQ5 Ru含量在调制CeRu₂中超导相与磁性相之间相互作用中起何种作用？

主要发现

• CeRu₂在常压下表现出约6 K的超导转变温度（Tc）。
• 在~40 K处观测到磁序转变，表明超导性与磁性的共存。
• 第一性原理计算揭示了费米面附近存在凯文图格平坦能带，暗示平坦能带磁性。
• 在~28 GPa以上，出现Tc回升，并伴随二次超导转变的出现。
• 压力下的相图揭示了多个超导序参量之间的非寻常相互作用。
• 高压实验表明，CeRu₂中的超导性与磁性强烈耦合，压力可调控量子相。