[论文解读] Quantum Criticality in doped CePd_1-xRh_x Ferromagnet

J.G. Sereni, T. Westerkamp+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2006

Rare-earth and actinide compounds被引用 30

一句话总结

本研究通过多种热力学与输运探测手段，调查掺杂CePd₁₋ₓRhₓ中量子临界性，该体系为铁磁重费米子系统。研究识别出在x ≈ 0.87处存在临界浓度，此时铁磁转变温度T_C降至25 mK，比热呈现幂律发散（C_m/T ∝ T^−0.5），表明由量子涨落驱动的非费米液体行为；由于随机Kondo与RKKY耦合共存，体系同时表现出铁磁性与混合价特征。

ABSTRACT

CePd_1-xRh_x alloys exhibit a continuous evolution from ferromagnetism (T_C= 6.5 K) at x = 0 to a mixed valence (MV) state at x = 1. We have performed a detailed investigation on the suppression of the ferromagnetic (F) phase in this alloy using dc-(χ_dc) and ac-susceptibility (χ_ac), specific heat (C_m), resistivity (ρ) and thermal expansion (β) techniques. Our results show a continuous decrease of T_C (x) with negative curvature down to T_C = 3K at x*= 0.65, where a positive curvature takes over. Beyond x*, a cusp in cac is traced down to T_C* = 25 mK at x = 0.87, locating the critical concentration between x = 0.87 and 0.90. The quantum criticality of this region is recognized by the -log(T/T_0) dependence of C_m/T, which transforms into a T^-q (~0.5) one at x = 0.87. At high temperature, this system shows the onset of valence instability revealed by a deviation from Vegard's law (at x_V~0.75) and increasing hybridization effects on high temperature χ_dc and ρ. Coincidentally, a Fermi liquid contribution to the specific heat arises from the MV component, which becomes dominant at the CeRh limit. In contrast to antiferromagnetic systems, no C_m/T flattening is observed for x > x_cr rather the mentioned power law divergence, which coincides with a change of sign of β. The coexistence of F and MV components and the sudden changes in the T dependencies are discussed in the context of randomly distributed magnetic and Kondo couplings.

研究动机与目标

• 绘制铁磁CePd₁₋ₓRhₓ体系中量子临界点（QCP）随Rh掺杂（x）的变化图谱。
• 研究在量子临界环境中，铁磁序、混合价行为与Kondo屏蔽之间的相互作用。
• 确定所观测到的非费米液体行为是否源于量子临界涨落，或竞争性磁序。
• 阐明无序性及非均匀Kondo/RKKY耦合在从经典临界行为向量子临界行为转变中的作用。

提出的方法

• 通过测量直流与交流磁化率（χ_dc, χ_ac）追踪T_C的演化并探测临界涨落。
• 测量比热（C_m）与电阻率（ρ），以探测电子比热与准粒子散射行为。
• 测量热膨胀系数（β），以检测体积与电子熵的变化，指示价态不稳定性。
• 分析T依赖的C_m/T与χ_dc，识别非费米液体行为（对数或幂律发散）。
• 利用频率相关的χ_ac区分量子临界涨落与自旋玻璃样行为。
• 将实验数据与三维巡游铁磁体在量子临界点附近的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 CePd₁₋ₓRhₓ中量子临界点（QCP）的精确位置为何？T_C(x)如何随Rh掺杂演化？
• RQ2 在QCP附近，比热C_m/T的行为如何？其温度依赖性揭示了哪些关于非费米液体行为的信息？
• RQ3 为何在x ≈ 0.87之后系统表现出幂律发散（C_m/T ∝ T^−0.5）？这与反铁磁体系有何不同？
• RQ4 价态不稳定性与Kondo屏蔽在抑制铁磁序中的作用是什么？其对电子结构有何影响？
• RQ5 随机Pd/Rh取代如何影响RKKY与Kondo耦合的分布？其对量子临界性有何影响？

主要发现

• 铁磁转变温度T_C(x)随Rh掺杂连续降低，在x* ≈ 0.65之前呈现负曲率，此后出现正曲率尾部。
• 在临界浓度x_cr ≈ 0.87处，T_C降至25 mK，标志着量子临界性的开始。
• 在x = 0.87处，C_m/T表现出幂律发散∝ T^−0.5（q ≈ 0.5），表明非费米液体行为，与经典临界区域中观察到的对数依赖关系形成对比。
• 在x ≈ 0.87处，热膨胀系数β(T)发生符号改变，与C_m/T行为的转变同步，表明电子基态特征发生改变。
• 在x_V ≈ 0.75处出现偏离Vegard定律的现象，表明价态不稳定性开始出现，杂化增强，该现象先于QCP发生。
• 铁磁序与强Kondo屏蔽的共存归因于Pd/Rh无序引起的RKKY与Kondo耦合的随机分布，导致电子非均匀散射。