[논문]Hg을 도핑한 무거운 페르미온 초전도체 <tex>$CeRhIn_5$</tex>의 압력에 따른 변화

서순범; 주솔; 박두선

[국내논문] Hg을 도핑한 무거운 페르미온 초전도체 $CeRhIn_5$의 압력에 따른 변화
Pressure Effects on the Hg-doped Heavy-fermion Superconductor $CeRhIn_5$ 원문보기

Progress in superconductivity, v.14 no.1, 2012년, pp.17 - 23

서순범 (Department of Physics, Sungkyunkwan University) , 주솔 (Department of Physics, Sungkyunkwan University) , (Los Alamos National Laboratory) , (Los Alamos National Laboratory) , 박두선 (Department of Physics, Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

The heavy-fermion compound $CeRhIn_5$ is a prototypical antiferromagnet where Ce 4f moments align antiferromagnetically below 3.8 K. When doped with Hg, the antiferromagnetic transition $T_N$ initially decreases, becomes flat, and increases again with further increasing Hg concentration. Here we report pressure effects on the electrical resistivity of a 0.45 % Hg-doped $CeRhIn_5$, where $T_N$ is 3.4 K and the magnetic structure is same as that of the undoped compound with Q=(1/2, 1/2, 0.298). With increasing pressure, $T_N$ is suppressed and a superconducting state emerges. The temperature dependence of the electrical resistivity near an optimal pressure shows a power-law behavior that deviates from a $T^2$ dependence, indicating presence of abundant quantum fluctuations near the optimal pressure.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CeRhIn₅물질에 자기 구조를 바꾸지 않을 정도의 Hg도핑을 하여 CeRhIn₅가 가지는 자기적 성질에 영향을 준 뒤, 압력하에서 전기 저항을 측정 함으로써 도핑하기 전과 비교하였을 때 상도표의 형태에 어떠한 변화를 주는지 확인하는 것이다. 특히 초전도상에 나타나는 변화와 함께 양자임계점의 변화를 도핑 전 결과와 비교하여 Hg도핑이 미친 영향을 논의할 것이다.
가 가지는 자기적 성질에 영향을 준 뒤, 압력하에서 전기 저항을 측정 함으로써 도핑하기 전과 비교하였을 때 상도표의 형태에 어떠한 변화를 주는지 확인하는 것이다. 특히 초전도상에 나타나는 변화와 함께 양자임계점의 변화를 도핑 전 결과와 비교하여 Hg도핑이 미친 영향을 논의할 것이다.

가설 설정

45 % Hg-doped CeRhIn₅ under pressure on a semilogarithmic scale. (b) The in-plane electrical resistivity of a 0.45 % Hg-doped CeRhIn₅ is magnified near the phase-transition temperatures. Blue arrows mark the antiferromagnetic transition temperatures.

제안 방법

45 %지점을 화살표로 표시하였다. 또한 추가적인 실험을 통해 치환율을 높여줌에 따라 자기 구조가 바뀌어 다른 성질의 반강자성 상으로 존재하는 것이 이미 발견 되었고 [13], 이지점을 그래프에서 검정 수직 점선을 이용하여 AFM1과 AFM2로 구분하였다.
사용된 압력 셀은 혼합 형식 고 압력 셀(hybrid type high pressure cell)로 Be-Cu와 Ni-Cr-Al 특수 혼합물로 만들어졌으며 최대 약 3 GPa까지 균일한 압력을 시료에 가해줄 수 있다. 셀 안의 실제 압력의 크기는 납(lead)의 압력에 따른 초전도 전이 온도의 변화 값을 이용하여 측정하였다 [15]. 시료의 온도를 낮추기 위해서 액체 헬륨 저온장치(⁴Hecryostat)를 이용하였고, 액체 헬륨이 담겨 있는 듀어(dewar)를 펌핑(pumping)하여 300 K에서 약 1.
2 K까지 냉각하였다. 시료의 전기 저항은 LR700 Resistance Bridge 실험장비를 이용하여 Ce-In 평면방향(in-plane)으로 측정하였다.
CeRhIn₅에 Hg을 0.45 % 도핑한 시료의 전기저항을 외부 압력을 가해주며 측정하였다. 압력에 따른 저항의 변화와 상전이의 변화는 CeRhIn₅의 결과와 비슷하였다.

대상 데이터

압력실험을 하기 위해 시료의 크기는 가로와 세로가 약 1 mm였으며 두께는 약 300 μm정도였다.
압력실험을 하기 위해 시료의 크기는 가로와 세로가 약 1 mm였으며 두께는 약 300 μm정도였다. 사용된 압력 셀은 혼합 형식 고 압력 셀(hybrid type high pressure cell)로 Be-Cu와 Ni-Cr-Al 특수 혼합물로 만들어졌으며 최대 약 3 GPa까지 균일한 압력을 시료에 가해줄 수 있다. 셀 안의 실제 압력의 크기는 납(lead)의 압력에 따른 초전도 전이 온도의 변화 값을 이용하여 측정하였다 [15].

이론/모형

CeRh(In_1-xHg_x)₅의 단결정(single crystal) 시료는 플럭스 법(flux method)으로 제작 되었다 [13]. Fig.
1(a) CeRhIn₅의 결정구조에서 In(1)자리와 In(2)자리에 각각 절반의 확률로 Hg이 치환된다. 각 원소의 구성과 실제 Hg원소의 치환율을 알아내기 위해 전자 마이크로프로브 분석(electron microprobe analysis)방법을 이용하였고 Hg의 실제 치환율은 0.45 %이다. 전기 저항을 측정하기 위해 사용한 방법은 4단자 법(4-probe method)으로, 점 용접(spot welding)과 은 에폭시(silver epoxy)를 이용하여 시료에 4 개의 단자선을 연결하였다.
45 %이다. 전기 저항을 측정하기 위해 사용한 방법은 4단자 법(4-probe method)으로, 점 용접(spot welding)과 은 에폭시(silver epoxy)를 이용하여 시료에 4 개의 단자선을 연결하였다. 압력실험을 하기 위해 시료의 크기는 가로와 세로가 약 1 mm였으며 두께는 약 300 μm정도였다.

성능/효과

2에서 확인 할 수 있다. 도핑하지 않는 CeRhIn₅의 압력에 대한 전기 비저항 결과와 비슷한 경향성을 보였으며, 전체적으로 도핑을 한 시료가 약 22 %가량 더 큰 비저항 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
일반 금속의 경우 압력이 커질수록 원자 간의 간격이 가까워져 저항이 감소하는 반면, Ce원소기반 화합물의 경우 압력을 가할수록 Ce의 국소화된(localized) 4f 전자들과 자유 전자간의 교환 결합 상수(excahange coupling parameter) J값이 커짐에 따라 자유 전자들이 4f 스핀에 더욱 크게 산란되어 전기 저항이 커지게 된다. 비슷한 이유로 압력이 증가함에 따른 J값의 상승으로 콘도효과(Kondo effect)가 강해지는데, 콘도온도에서의 저항 상승 효과가 더욱 커지게 되고 저항값이 최대가 되는 온도(T_max) 혹은 콘도 결맞음 온도(Kondo coherence temperature)가 압력에 따라 높아지는 것을 확인할 수 있다. 반면에 콘도 효과와 RKKY 작용의 경쟁 (Kondo-RKKY competition)으로 인해 T_N이 압력에 따라 낮아진다 [16].
최소자승법으로 fitting 해서 구한 n값이 2일 때 페르미 액체 이론을 따르고, 2보다 작은 값을 보일 때 비 페르미액체 행동을 보인다. 계산 결과 1 bar ~1.45 GPa 영역에서는 페르미 액체 현상을 보였고, 1.75 GPa~2.8 GPa 영역에서는 비 페르미 액체 행동을 보였다. 이미 CeRhIn₅의 경우 비 페르미 액체 행동을 보인 압력 구간 내에서 양자임계점이 발견되었으므로 0.
4(a)는 온도-압력 상도표(phase diagram)이다. 검정 사각모양 데이터는 도핑이 되지 않은 CeRhIn₅의 결과를 나타내고, 빨강 사각모양 데이터는 0.45% Hg 도핑된 CeRhIn₅의 결과를 나타낸다. 상도표에서 AFM으로 표시된 빗금영역을 나타내는 데이터는 T N값을 의미하며 Fig.
따라서 Hg도핑으로 인해 발생한 상전이 온도의 변화와 음압효과 만큼을 Fig. 4(a)의 0.45 %Hg 도핑한 CeRhIn₅의 상도표에 더하거나 빼주어서 재구성하였을 때, 두 상도표의 형태나 상전이 온도가 일치함을 확인하였다. 다만 T_N값이 차이 나는 영역이 존재하는데, 어떠한 효과로부터 발생하였는지 아직 정확하게 설명할 수 없다.
도핑하지 않은 CeRhIn₅의 연구결과를 보면, 정확히 최적 압력에서 양자임계점이 존재한다. 따라서 CeRhIn₅의 양자임계점은 초전도상 영역 안에서 존재하게 되며, 양자임계현상들은 초전도 돔 영역 위에서 관찰이 되는데, 0.45 % Hg도핑한 CeRhIn₅역시 초전도 돔 영역 위에서 양자임계현상 중 하나인 비 페르미 액체현상이 존재한다는 사실을 이미 Fig. 3에서 확인하였다.
압력에 따른 저항의 변화와 상전이의 변화는 CeRhIn₅의 결과와 비슷하였다. 압력을 증가시켜줄수록 콘도효과가 강해지고 저온에서의 반강자성은 약해지며 초전도상이 나타났는데, 초전도상과 반강자성상이 공존하는 영역이 존재하였다. Hg원소 치환으로 인해 발생한 상전이온도의 감소와 음압효과를 고려하여 상도표를 재구성한 뒤 도핑하지 않은 CeRhIn₅의 상도표와 비교하였을 때, T_N의 감소율이 약간 차이가 있었지만 압력으로 인가된 초전도상의 돔 형태가 일치하였다.
Hg원소 치환으로 인해 발생한 상전이온도의 감소와 음압효과를 고려하여 상도표를 재구성한 뒤 도핑하지 않은 CeRhIn₅의 상도표와 비교하였을 때, T_N의 감소율이 약간 차이가 있었지만 압력으로 인가된 초전도상의 돔 형태가 일치하였다. 최적압력 역시 음압 효과만큼이동하여 Hg의 도핑 효과가 초전도상에 국한되어 나타나지 않았음을 확인하였다. 상도표의 초전도 돔 위에서는 여전히 특정 압력구간에서 비 페르미 액체 현상을 보여주었고 Hg의 도핑 효과로 인해 양자임계현상이 바뀌거나 없어지지 않았음을 확인하였다.
최적압력 역시 음압 효과만큼이동하여 Hg의 도핑 효과가 초전도상에 국한되어 나타나지 않았음을 확인하였다. 상도표의 초전도 돔 위에서는 여전히 특정 압력구간에서 비 페르미 액체 현상을 보여주었고 Hg의 도핑 효과로 인해 양자임계현상이 바뀌거나 없어지지 않았음을 확인하였다. 하지만 잔류 비저항값을 구해본 결과 도핑하지 않은 CeRhIn₅에서 존재하였던 양자임계점 압력에서 최대값을 보였다.

후속연구

하지만 잔류 비저항값을 구해본 결과 도핑하지 않은 CeRhIn₅에서 존재하였던 양자임계점 압력에서 최대값을 보였다. 따라서 양자임계점은 Hg도핑으로 인한 변화가 없을 가능성을 가지지만 확실한 결론은 추가적인 실험과 분석을 통해 확실한 양자임계점 위치를 찾아야 내릴 수 있다. 이와 같은 결과들을 바탕으로 더 높은 압력에서 상도표의 변화와 양자임계현상 등을 관찰하거나 최적압력 근처에서 자세한 압력실험이 요구된다.
따라서 양자임계점은 Hg도핑으로 인한 변화가 없을 가능성을 가지지만 확실한 결론은 추가적인 실험과 분석을 통해 확실한 양자임계점 위치를 찾아야 내릴 수 있다. 이와 같은 결과들을 바탕으로 더 높은 압력에서 상도표의 변화와 양자임계현상 등을 관찰하거나 최적압력 근처에서 자세한 압력실험이 요구된다. 또한 더 높은 양의 Hg원소 치환을 한 뒤에 나타나는 변화를 관찰하는 것 역시 무거운 페르미온 물질에서의 초전도현상과 양자임계현상을 이해하는데 도움을 줄 것으로 예상된다.
이와 같은 결과들을 바탕으로 더 높은 압력에서 상도표의 변화와 양자임계현상 등을 관찰하거나 최적압력 근처에서 자세한 압력실험이 요구된다. 또한 더 높은 양의 Hg원소 치환을 한 뒤에 나타나는 변화를 관찰하는 것 역시 무거운 페르미온 물질에서의 초전도현상과 양자임계현상을 이해하는데 도움을 줄 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무거운 페르미온 물질의 어떤 것이 초전도상과 관련있는가?	이러한 물질들의 상도표에서 자기상과 함께 나타나는 돔(dome) 형태의 초전도상은 대부분 비정상 초전도체(unconventional superconductor)의 성질을 보인다. 최근에는 무거운 페르미온 물질에서 발견되는 양자임계성 (quantum criticality) 혹은 양자임계점(quantum critical point)과 초전도상과의 관련성에 대하여 연구가 진행되고 있다 [5-7]. 일반 금속의 경우 저온에서 페르미 액체 이론(Fermi liquid theory)을 따르는 반면, 양자임계점 근처에서는 비 페르미 액체 현상(non-Fermi liquid behavior) 등이 발견되지만 이를 설명할 수 있는 이론이 아직 없다.
	무거운 페르미온 물질은 무엇을 통해 발견되었나?	무거운 페르미온 물질(heavy fermion material)은 1975년 CeAl3의 저온 물성측정을 통해 처음 발견된 뒤 흥미로운 물리적인 현상들로 인해 사람들의 관심을 끌고 있다. 무거운 페르미온 물질들은 일반적으로 4f 또는 5f 전자를 포함하며 복잡한 상전이 현상들이 보인다 [1, 2].
	CeTIn5 연구의 배경은?	최근에는 무거운 페르미온 물질에서 발견되는 양자임계성 (quantum criticality) 혹은 양자임계점(quantum critical point)과 초전도상과의 관련성에 대하여 연구가 진행되고 있다 [5-7]. 일반 금속의 경우 저온에서 페르미 액체 이론(Fermi liquid theory)을 따르는 반면, 양자임계점 근처에서는 비 페르미 액체 현상(non-Fermi liquid behavior) 등이 발견되지만 이를 설명할 수 있는 이론이 아직 없다. 비정상 초전도 역시 완벽히 설명할 수 있는 이론이 부족한 상태이므로, 무거운 페르미온에 대한 연구가 서로 다른 두 현상을 이해하는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 관점에서 활발히 연구되고 있는 물질 중의 하나는 CeTIn5(T=Group VIII transition metal)이며 압력, 자기장 그리고 화학적 치환을 통하여 다양한 상도표를 보여준다 [8-11].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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