[论文解读] Pressure effects on the heavy-fermion antiferromagnet CeAuSb2

S. Seo, V. A. Sidorov+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2012

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究调查了高质量 CeAuSb2 中压力诱导的量子相变，该材料为重费米子反铁磁体。通过在高达 5.5 GPa 的压力下进行电阻率和比热测量，揭示了一个复杂的磁相图，其中在 2.1 GPa 以上出现新相，具有穹顶形相变行为，并存在多个相共存。T² 电阻率行为以及 A 和 ρ₀ 系数的增加表明，更高压力下可能存在磁量子临界点。

ABSTRACT

The f-electron compound CeAuSb2, which crystallizes in the ZrCuSi2-type tetragonal structure, orders antiferromagnetically between 5 and 6.8 K, where the antiferromagnetic transition temperature T_N depends on the occupancy of the Au site. Here we report the electrical resistivity and heat capacity of a high-quality crystal CeAuSb2 with T_N of 6.8 K, the highest for this compound. The magnetic transition temperature is initially suppressed with pressure, but is intercepted by a new magnetic state above 2.1 GPa. The new phase shows a dome shape with pressure and coexists with another phase at pressures higher than 4.7 GPa. The electrical resistivity shows a T^2 Fermi liquids behavior in the complex magnetic state, and the residual resistivity and the T^2 resistivity coefficient increases with pressure, suggesting the possibility of a magnetic quantum critical point at a higher pressure.

研究动机与目标

• 研究高质量 CeAuSb2 单晶（T_N = 6.8 K）中磁序与电子关联的压强依赖性。
• 通过使用近乎化学计量比且剩余电阻率比（RRR = 14）高的单晶，最小化无序效应，以解决先前研究中的矛盾。
• 确定压力是否使 CeAuSb2 趋向磁量子临界点，如电子性质发散所指示的那样。
• 阐明晶体电场（CEF）效应以及压力下竞争的 RKKY/Kondo 相互作用的作用。

提出的方法

• 通过自 flux 法合成高质量 CeAuSb2 单晶，采用过量 Au 以最小化 Au 位缺陷，经电子探针分析确认。
• 采用四探针技术在 4He 制冷机中从 300 K 降至 1.2 K 测量电阻率，施加静水压。
• 采用交流量热法测量比热，通过振荡热输入和 E 型热电偶检测 2f 频率的温度振荡。
• 压力通过混合 Be-Cu/NiCrAl 夹紧式腔体（最高 3 GPa）和环形砧压腔（采用硼-环氧树脂垫片和特氟龙胶囊，最高 5.5 GPa）施加，通过 Pb 的超导转变温度进行标定。
• 从压力依赖的 T² 电阻率系数 A 和剩余电阻率 ρ₀ 提取结果，以探测量子临界行为。
• 基于电阻率异常和比热数据构建磁相图，识别相界和转变温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 压力是否将 CeAuSb2 的反铁磁转变温度 T_N 压缩至零，表明存在磁量子临界点？
• RQ2 在 2.1 GPa 以上新磁相的出现如何影响电子行为和电阻率标度？
• RQ3 晶体电场（CEF）效应以及竞争的 RKKY/Kondo 相互作用在多大程度上主导了 CeAuSb2 的压力驱动相变？
• RQ4 尽管相变行为非单调，为何 T² 电阻率系数 A 和剩余电阻率 ρ₀ 随压力单调增加？
• RQ5 观察到的 A 和 ρ₀ 增加是否表明在测量范围之外的压力下存在磁量子临界点？

主要发现

• 反铁磁转变温度 T_N 随压力降低，但在 2.1 GPa 处被抑制，此时出现新磁相（相 1），其 T_N 呈穹顶形分布。
• 在 4.7 GPa 以上，第二新相（相 2）与相 1 共存，表明压力下存在复杂的磁序竞争。
• 在所有压力下，电阻率在 1.2 K 时仍保持 T² 依赖性，证实整个相图中主导 Landau-Fermi 液体行为。
• T² 电阻率系数 A 从 1 bar 时的 0.56 增加至 5.5 GPa 时的 2.64 μΩ·cm·K⁻²，表明有效电子质量增强 4.7 倍。
• 相同压力范围内，剩余电阻率 ρ₀ 从 4.42 增加至 10.09 μΩ·cm，与 A 的相对增强相似，表明散射和质量增强均增加。
• 尽管相变行为非单调，A 和 ρ₀ 在 5.5 GPa 内单调增加，表明更高压力下可能存在磁量子临界点。