[论文解读] Quantum criticality and disorder in the antiferromagnetic critical point of NiS$_{2}$ pyrite

Nao Takeshita, Shinya Takashima+6 more|ArXiv.org|Apr 4, 2007

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究在静水压下研究了纯净 NiS₂ 黄铁矿中的量子临界行为，发现一种稳健的 T³²  依赖性电阻率——表明非费米液体行为——在反铁磁量子临界点（QCP）附近的宽广顺磁区域持续存在，这与在无序 NiS₁.₃Se₀.₇ 固溶体中观察到的标准 T² 费米液体恢复形成鲜明对比。关键发现是，无序而非本征临界性导致了 QCP 的教科书级行为，暗示散射在掩盖纯净系统中非费米液体物理方面具有根本作用。

ABSTRACT

A quantum critical point (QCP) between the antiferromagnetic and the paramagnetic phases was realized by applying a hydrostatic pressure of ~ 7 GPa on single crystals of NiS_{2} pyrite with a low residual resistivity, rho_{0}, of 0.5 mu-Omega-cm. We found that the critical behavior of the resistivity, rho, in this clean system contrasts sharply with those observed in its disordered analogue, NiS_{2-x}Se_{x} solid-solution, demonstrating the unexpectedly drastic effect of disorder on the quantum criticality. Over a whole paramagnetic region investigated up to P = 9 GPa, a crossover temperature, defined as the onset of T^{2} dependence of rho, an indication of Fermi liquid, was suppressed to a substantially low temperature T sim 2 K and, instead, a non Fermi liquid behavior of rho, T^{3/2}-dependence, robustly showed up.

研究动机与目标

• 通过比较接近反铁磁量子临界点的纯净与无序系统，研究无序在量子临界行为中的作用。
• 确定在 QCP 附近 T² 电阻率的典型 V 形恢复（费米液体行为）是否为普遍特征，还是无序的产物。
• 探讨非费米液体行为是否为纯净量子临界系统的本征特性，或是否被弹性散射所抑制。
• 澄清在低剩余电阻率的系统中，标准的量子临界理论图像是否仍然成立。

提出的方法

• 通过蒸气输运法合成 NiS₂ 单晶，以实现高纯度和低剩余电阻率（ρ₀ ≈ 0.5 μΩ·cm）。
• 施加高达 9 GPa 的静水压，将系统调制至反铁磁到顺磁的量子临界点。
• 测量电阻率随温度和压力的变化，以追踪相图中 ρ(T) 的演化。
• 通过将 ρ(T) 拟合到幂律形式分析电阻率的临界行为：T² 表示费米液体，T³²  表示非费米液体行为。
• 将结果与先前报道的 NiS₁.₃Se₀.₇ 在压力下的数据进行比较，其剩余电阻率较高（ρ₀ ≈ 60 μΩ·cm），以分离无序的影响。
• 构建电阻率指数 n 的相图和等高线图，以可视化临界行为随温度和压力的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纯净系统中，反铁磁量子临界点附近的 T² 电阻率典型 V 形恢复是否依然存在？
• RQ2 通过 Se 掺杂引入的无序如何影响在量子临界点附近费米液体相干性的出现？
• RQ3 为何非费米液体行为（T³²  -依赖性）在纯净 NiS₂ 中稳健存在，而在无序 NiS₂₋ₓSeₓ 中却缺失？
• RQ4 纯净系统中费米液体相干性的抑制是否可由动量空间或实空间的相分离来解释？
• RQ5 在 NiS₂₋ₓSeₓ 中观察到的教科书级量子临界行为是否源于无序诱导的散射，而非本征临界涨落？

主要发现

• 在约 7 GPa 处实现了纯净 NiS₂ 的反铁磁量子临界点，剩余电阻率低至 0.5 μΩ·cm，证实了该系统的高纯度。
• 在纯净 NiS₂ 中，T² 费米液体行为在低于 ~2 K 时被抑制，取而代之的是在整个顺磁相范围内（高达 9 GPa）均占主导地位的稳健 T³²  -依赖性电阻率。
• 与在无序 NiS₁.₃Se₀.₇ 中清晰观察到的 T² 恢复形成鲜明对比，纯净 NiS₂ 中缺乏标准量子临界理论所预期的 T² 电阻率 V 形恢复。
• 非费米液体 T³²  -行为持续至最低测量温度（~2 K），表明即使远离临界点，费米液体相干性也已崩溃。
• 纯净与无序系统之间的对比表明，无序而非临界涨落才是标准 T² 恢复在标准量子临界模型中出现的原因。
• 结果表明，标准的量子临界理论框架可能不完整，因其无法描述纯净系统中的非费米液体行为，暗示可能存在缺失的物理机制，如相分离或增强的散射效应。