[论文解读] Scaling and superconductivity in heavy electron materials

Yi‐feng Yang, David Pines+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本文利用双流体模型表明，在重电子材料中，只有当量子临界自旋涨落产生温度无关的本征弛豫率时，核自旋-晶格弛豫率 $T_1$ 才表现出标度行为。$T_1$ 与重电子组分及相干温度 $T^*$ 的标度关系为在最佳超导转变温度下探测量子临界自旋涨落提供了直接实验手段，支持了这些涨落在驱动超导性中的作用。

ABSTRACT

We use the two fluid model to determine the conditions under which the nuclear spin-lattice lattice relaxation rate, $T_1$, of candidate heavy quantum critical superconductors can exhibit scaling behavior and find that it can occur if and only if their hidden quantum critical spin fluctuations give rise to a temperature-independent intrinsic heavy electron spin-lattice relaxation rate. The resulting scaling of $T_1$ with the strength of the heavy electron component and the coherence temperature, $T^*$, provides a simple test for their presence at pressures at which the superconducting transition temperature, $T_c$, is maximum and is proportional to $T^*$. These findings support the previously noted partial scaling of the spin-lattice relaxation rate with $T_c$ in a number of important heavy electron materials and provide additional evidence that in these materials their optimal superconductivity originates in the quantum critical spin fluctuations associated with a nearby phase transition from partially localized to fully itinerant quasiparticles.

研究动机与目标

• 确定重电子材料中 $T_1$ 弛豫率表现出标度行为的条件。
• 检验 $T_1$ 的标度是否可作为探测隐藏量子临界自旋涨落的诊断工具。
• 研究在最大 $T_c$ 下，重费米子超导体中 $T_1$、$T^*$ 和 $T_c$ 之间的关系。
• 提供证据表明，最佳超导性源于准粒子局域化转变附近的量子临界自旋涨落。

提出的方法

• 应用双流体模型描述重电子材料中的自旋-晶格弛豫率 $T_1$。
• 识别出本征重电子对 $T_1$ 的贡献为实现标度的关键组分。
• 假设在量子临界自旋涨落下，本征 $T_1^{-1}$ 为温度无关。
• 推导出将 $T_1$ 与重电子组分及相干温度 $T^*$ 联系起来的标度条件。
• 利用观测到的 $T_c$ 与 $T^*$ 之间的比例关系作为标度假说的一致性检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，重电子材料中的自旋-晶格弛豫率 $T_1$ 表现出标度行为？
• RQ2 由量子临界自旋涨落产生的温度无关本征 $T_1^{-1}$ 是否能实现 $T_1$ 的标度？
• RQ3 $T_1$ 与 $T^*$ 及重电子组分的标度是否可作为量子临界自旋涨落的可靠指标？
• RQ4 在最佳掺杂下 $T_c$ 与 $T^*$ 之间的比例关系是否支持量子临界自旋涨落在超导性中的作用？

主要发现

• 仅当本征重电子自旋-晶格弛豫率 $T_1$ 为温度无关时，$T_1$ 才表现出标度行为。
• $T_1$ 与重电子组分及 $T^*$ 的标度关系为探测量子临界自旋涨落提供了直接的实验手段。
• 在最大超导转变温度下观测到的 $T_c$ 与 $T^*$ 之间的比例关系支持了超导性的量子临界起源。
• 研究结果解释了以往在重费米子材料中观察到的 $T_1$ 与 $T_c$ 部分标度现象，其根源在于潜在的量子临界自旋涨落。