Resonant detection of electronic nematicity in correlated electron systems
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
In sogenannten stark-korrelierten Metallen beeinflussen sich die Elektronen gegenseitig, im Gegensatz zu gewöhnlichen Metallen wie Kupfer. Dies führt zu neuen und zum Teil exotischen Materialeigenschaften, die in neuartigen elektronischen Anwendungen eingesetzt werden können. Eine bekannte Form ist die Supraleitung, in der sich Elektronen zu Cooper-Paaren verbinden. Eine verwandtes kollektives Verhalten ist die sognannte „elektronische Nematizität“. Der Begriff „nematisch“ kommt aus dem Feld der Flüssigkristalle und beschreibt Materialien die, obwohl sie völlig gleichförmig sind, eine spezielle Vorzugsrichtung haben. Im Flüssigkristallbildschrim wird dieser Effekt ausgenutzt, um Pixel zu schalten indem deren Ausrichtung verändert wird. Analog können auch Elektronen in bestimmten Metallen nematische Eigenschaften haben. Obwohl für Elektronen prinzipiell viele Richtungen im Raum gleich sind, „entscheidet“ sich das Material spontan für eine Vorzugsrichtung entlang der sich die Elektronen einfacher bewegen. Diese Richtung kann experimentell durch einen starken Abfall im elektrischen Widerstand beobachtet werden, sobald das Material nematisch wird. Diese beiden Zustände, Supraleitung und Nematizität, treten oft gemeinsam auf und die Zusammenhänge zu untersuchen ist der Kern dieses Projekts. Obwohl wir ursprünglich in einer Eisenarsenid Verbindung nematische Eigenschaften untersuchen wollten, haben wir überraschend und unerwartet in einem Cer-basierten Supraleiter, CeRhIn5, eine bislang unbekannte Form von Nematizität entdeckt. Während in bekannten nematischen Materialien das Elektronensystem immer eine Richtung entlang bestimmter atomarer Bindungen in einem Kristall wählt, kann es im CeRhIn5 eine beliebige Ausrichtung in der Rh-In Ebene wählen, unabhängig von der Richtung der Bindungen. Diese „XY-nematische“ Phase ist besonders vielseitig, da sie in jede Richtung ausgerichtet werden kann, und insbesondere ist sie theoretisch interessant durch ihre Domänenstruktur. Dieses Projekt wird neue Impulse in der Untersuchung unkonventioneller und Hochtemperatur-Supraleiter setzen. In CeRhIn5 kann Supraleitung durch hohen Druck induziert werden, und die nematische Phase durch starkes Magnetfeld. In unserer Studie konnten wir erstmals diese beiden Parameter, hohes Feld und hohen Druck, kombinieren um direkt zu untersuchen, wie die supraleitende in die nematische Phase übergeht. Wir haben entdeckt dass dieser Übergang nicht direkt stattfindet wie zunächst angenommen, sondern indirekt über einen zwischenliegenden Zustand. Unter Druck wird die Nematizität unterdrückt und ein reiner antiferromagnetischer Zustand erreicht. Erst eine weitere Erhöhung des Drucks führt zur Supraleitung. Diese Erkenntnis trägt zur aktuellen Diskussion über die Rolle der Nematizität in der Supraleitung bei. Entweder sind diese Phänomene direkt und ursächlich verbunden, zum Beispiel indem nematische Fluktuationen die Supraleitung induzieren; oder sie treten prinzipiell unabhängig voneinander auf. Während im ersten Szenario der Weg zu einem höheren Tc über eine Verstärkung der Nematizität führt, impliziert das zweite dass sie eher kontraproduktiv ist. Unser Resultat zeigt, dass in CeRhIn5 Supraleitung und Nematizität unabhängig existieren und eine höhere Energieskala in der nematischen Phase wohl nicht zu einer stärkeren Supraleitung führen würde. Diese Frage direkt zu untersuchen wird der Fokus unserer nachfolgenden Arbeiten sein. Dieses Forschungsprojekt wurde in einer internationalen Kollaboration mit dem Los Alamos National Laboratory umgesetzt und die Ergebnisse in vielfältigen populärwissenschaftlichen Medien und Blogs veröffentlicht, unter anderem: https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2017/August/0816-superconductivity-research.php?source=newsroom https://www.materialstoday.com/characterization/news/rare-state-of-matter-cerium-crystal/
Publications
- “Electronic in-plane symmetry breaking at field-tuned quantum criticality in CeRhIn5” Nature 548, 313–317 (2017)
F. Ronning, T. Helm, K. R. Shirer, M. D. Bachmann, L. Balicas, M. K. Chan, B. J. Ramshaw, R. D. McDonald, F. F. Balakirev, M. Jaime, E. D. Bauer & P. J. W. Moll
(See online at https://doi.org/10.1038/nature23315) - “Emergent magnetic anisotropy in the cubic heavy-fermion metal CeIn3”. Nature Quantum Materials 2:46 (2017)
Philip J. W. Moll, Toni Helm, Shang-Shun Zhang, Cristian D. Batista, Neil Harrison, Ross D. McDonald, Laurel E. Winter, B. J. Ramshaw, Mun K. Chan, Fedor F. Balakirev, Bertram Batlogg, Eric D. Bauer, and Filip Ronning
(See online at https://doi.org/10.1038/s41535-017-0052-5) - “Resonant torsion magnetometry in anisotropic quantum materials” Nature Communications 9:3975 (2018)
K.A. Modic, Maja D. Bachmann, B.J. Ramshaw, F. Arnold, K.R. Shirer, Amelia Estry, J.B. Betts, Girmal J. Ghimire, E.D. Bauer, Marcus Schmidt, Michael Baenitz, E. Svanidze, Ross D. McDonald, Arkady Shekhter, and Philip J.W. Moll
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-018-06412-w) - Spatially modulated heavy-fermion superconductivity in CeIrIn5
Maja D. Bachmann, G. M. Ferguson, Florian Theuss, Tobias Meng, Carsten Putzke, Toni Helm, K.R. Shirer, You-Sheng Li, K.A. Modic, Michael Nicklas, Markus Koenig, D. Low, Sayak Ghosh, Andrew P. Mackenzie, Frank Arnold, Elena Hassinger, Ross D. McDonald, Laurel E. Winter, Eric D. Bauer, Filip Ronning, B.J. Ramshaw, Katja C. Nowack, and Philip J.W. Moll
(See online at https://doi.org/10.1126/science.aao6640) - “Dirac fermions in the heavy-fermion superconductors Ce(Co,Rh,Ir)In5”, PRX
Kent R. Shirer, Yan Sun, Maja D. Bachmann, Carsten Putzke, Toni Helm, Laurel E. Winter, Fedor F. Balakirev, Ross D. McDonald, James G. Analytis, Nityan L. Nair, Eric D. Bauer, Filip Ronning, Claudia Felser, Tobias Meng, Binghai Yan, Philip J. W. Moll
- “Pressure-induced critical suppression of high-field nematicity in CeRhIn5”, PRX
Toni Helm, Audrey Grockowiak, Fedor F. Balakirev, John Singleton, Kent R. Shirer, Markus König, Eric D. Bauer, Filip Ronning, Stanley W. Tozer, Philip J.W. Moll
