[论文解读] Magnetism and Superconductivity in CeRhIn5

G. Knebel, Dai Aoki+1 more|ArXiv.org|Nov 27, 2009

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文研究了重费米子化合物 CeRhIn5 在压力和磁场作用下反铁磁性与超导性的共存行为。通过比热和磁化率测量，揭示了在不同压力和磁场区域中两种序的显微共存，发现了隐藏的量子临界行为以及磁场诱导的再入磁序，其特征与高温超导铜氧化物体系具有显著相似性。

ABSTRACT

We give a review of recent results on the heavy fermion superconductor CeRhIn$_5$ which presents ideal conditions to study the interplay of antiferromagnetism and superconductivity. The main results are the appearance of domains of microscopic coexistence of antiferromagnetism and superconductivity under both, pressure and magnetic field scans. At zero magnetic field, under pressure coexistence appears from the onset of pressure induced superconductivity up to the critical pressure $p_c^\star$ where antiferrmognetism disappears abruptly. Under magnetic field, re-entrance of magnetic order inside the superconducting state occurs in the pressure range from $p_c^\star$ up to $p_c$. The antiferromagnetic quantum critical point is hidden by the onset of superconductivity. A striking point is the similarity of the phase diagram of CeRhIn$_5$ and that of the high $T_c$ cuprate superconductors where for the cuprates the carrier concentration replaces the pressure. Both systems are characterized by: hidden magnetic quantum criticality, field reentrance of magnetism and the strong link to a Fermi surface instability.

研究动机与目标

• 研究重费米子体系 CeRhIn5 中反铁磁性与超导性之间的相互作用。
• 确定反铁磁序与超导序在微观尺度上共存的条件。
• 探讨压力与磁场在调控量子临界行为及揭示隐藏磁性量子临界点中的作用。
• 将 CeRhIn5 的相图与高温超导铜氧化物的相图进行比较，识别强关联电子系统中的普遍特征。

提出的方法

• 采用高压比热与磁化率测量，绘制 CeRhIn5 的压力-温度相图。
• 进行磁场扫描，探测超导态中反铁磁序的再入行为。
• 基于竞争的 Kondo 与 RKKY 相互作用分析相图，压力调节 4f 电子与导带电子之间的杂化强度。
• 通过将 CeRhIn5 中的压力映射为铜氧化物中的载流子浓度，与高温超导铜氧化物进行对比分析。
• 通过比热与磁化率的转变，追踪超导的 onset 与反铁磁性的抑制。
• 利用自旋涨落理论与局域量子临界性等理论框架，解释观测到的序共存与临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压力作用下，CeRhIn5 中反铁磁序在何种条件下与超导性显微共存？
• RQ2 外加磁场如何影响超导态中反铁磁序的稳定性？
• RQ3 CeRhIn5 中的量子临界点具有何种性质？为何其被超导性所掩盖？
• RQ4 在竞争序存在下，CeRhIn5 与高温超导铜氧化物的相图在多大程度上表现出普遍行为？
• RQ5 CeRhIn5 中费米面在量子临界点附近如何演化？其在超导性出现过程中扮演何种角色？

主要发现

• 在压力诱导的超导性开始出现起，CeRhIn5 中即观测到反铁磁性与超导性的显微共存，直至临界压力 $p_{c}^{ullet}$，此时反铁磁性突然消失。
• 在磁场作用下，反铁磁序在压力范围 $p_{c}^{ullet} < p < p_{c}$ 内于超导态中重新出现，表明磁场诱导了磁序的稳定。
• 在 $p_{c}$ 处的反铁磁量子临界点被超导性所掩盖，超导性抑制了长程磁序，并将真实临界点在零场下移动至 $p_{c}^{ullet}$。
• CeRhIn5 中最大超导转变温度 $T_{c}^{ ext{max}} \approx 2$ K 与临界压力 $p_{c}$ 重合，与高温超导铜氧化物中的最佳掺杂 $x_{m}$ 表现一致。
• CeRhIn5 与高温超导铜氧化物之间存在显著相似性：两者均表现出隐藏的量子临界性、磁场诱导的磁序再入，以及与费米面不稳定性之间的强关联。
• CeRhIn5 中在 $p_{c}$ 处从小费米面到大费米面的转变，对应于 4f 电子从局域态向巡游态的转变，类似于铜氧化物中在 $x_{m}$ 处的费米面重构。