[论文解读] Pressure dependence of the magnetization in the ferromagnetic superconductor UGe_2

C. Pfleiderer, Huxley, A. D.|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2002

Rare-earth and actinide compounds被引用 6

一句话总结

本研究表明，UGe₂中的超导性并非由在pₓ ≈ 12.2 kbar附近的铁磁相变处的量子临界性所驱动，这与先前的假设相反。相反，超导转变温度Tₛ(p)的压力依赖性源于某一自旋通道的电子态密度（DOS）中一个尖锐峰，该峰也驱动了两个铁磁相（FM1和FM2）之间的第一阶相变，配对机制由有限能量的虚激发介导，而非低能磁涨落。

ABSTRACT

The recent discovery that superconductivity occurs in several clean itinerant ferromagnets close to low temperature magnetic instabilities naturally invites an interpretation based on a proximity to quantum criticality. Here we report measurements of the pressure dependence of the low temperature magnetisation in one of these materials, UGe_2. Our results show that both of the magnetic transitions observed in this material as a function of pressure are first order transitions and do not therefore correspond to quantum critical points. Further we find that the known pressure dependence of the superconducting transition is not reflected in the pressure dependence of the static susceptibility. This demonstrates that the spectrum of excitations giving superconductivity is not that normally associated with a proximity to quantum criticality in weak itinerant ferromagnets. In contrast our data suggest that instead the pairing spectrum might be related to a sharp spike in the electronic density of states that also drives one of the magnetic transitions.

研究动机与目标

• 确定UGe₂中的超导转变是否与pₓ ≈ 12.2 kbar处的量子临界点（QCP）相关。
• 研究在pₓ处的磁相变性质及其与超导性压力依赖性的关系。
• 检验所观测到的Tₛ(p)依赖性是否可由接近QCP的机制解释，或由电子态密度中的尖锐特征所驱动的替代机制解释。
• 考察场诱导相变Hₓ与超导配对机制之间的关系。

提出的方法

• 使用铜铍夹持装置和基于SQUID的磁强计，在静水压下测量UGe₂中的低温磁化率。
• 分析磁化率滞后回线的压力依赖性，以提取有序铁磁矩及其第一阶相变行为。
• 确定FM1与FM2相之间的场诱导相变Hₓ及其压力依赖性。
• 将静态纵向磁化率（dM/dH）的压力依赖性与超导转变温度Tₛ(p)进行比较。
• 评估数据与QCP附近磁激发的洛伦兹谱的符合程度，以及与DOS中有限能量峰的符合程度。
• 利用c轴方向的上临界场测量和量子振荡数据推断有效质量，并检验DOS中是否存在类似Kondo的共振。

实验结果

研究问题

• RQ1 UGe₂中的超导转变是否由pₓ ≈ 12.2 kbar处的量子临界点驱动？
• RQ2 在pₓ处观测到的磁相变性质是什么？其是否对应于二级相变或一级相变？
• RQ3 为何在pₓ以上压力增加时，Tₛ(p)反而下降，这与QCP附近的预期相反？
• RQ4 Hₓ处的场诱导相变（FM1转变为FM2）是否与超导配对机制相关？
• RQ5 所观测到的Tₛ(p)压力依赖性是否可由电子态密度中的有限能量峰而非低能磁涨落来解释？

主要发现

• 在pₓ ≈ 12.2 kbar处的磁相变为一级相变，而非二级相变，排除了该压力下存在量子临界点的可能性。
• 在每个铁磁相（FM1和FM2）内，静态纵向磁化率（dM/dH）几乎与压力无关，这与QCP附近的预期不符。
• 在pₓ以上压力增加时，超导转变温度Tₛ(p)下降，这与通常与QCP相关的低能磁涨落的洛伦兹谱特征不一致。
• FM1与FM2相之间的场诱导相变Hₓ随压力增加，但Hₓ处的磁化率几乎保持不变，表明该相变发生在费米能级穿过某一自旋通道DOS的尖锐峰时。
• 所观测到的Tₛ(p)压力依赖性可一致地由涉及DOS中有限能量峰的虚激发配对机制解释，而非低能磁涨落。
• 量子振荡数据显示，在FM1中有效质量增强，而在FM2中未见增强，这与DOS中存在类似Kondo的共振一致，而该共振在费米能级穿过DOS峰时被破坏，支持了所提出的机制。