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Kondo breakdown and magnetic quantum criticality in a heavy-fermion superconductor

English title Kondo breakdown and magnetic quantum criticality in a heavy-fermion superconductor
Applicant Kenzelmann Michel
Number 184983
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 610'117.00
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Keywords (5)

magnetism and superconductivity; Pauli-limited superconductivity; neutron scattering; heavy-fermions; unconventional superconductivity

Lay Summary (German)

Lead
Wir versuchen die Wechselwirkung von magnetischer Ordnung und Supraleitung am Beispiel von dotiertem CeCoIn5 zu verstehen. Dazu machen wir eine Reihe von Experimente, mit denen wir die magnetische und elektronsichen Struktur studieren, und mit Vorhersagen der Theorie über magnetischen und elektrische Quantenphaseübergänge vergleichen.
Lay summary
In diesem Projekt untersuchen wir die Wechselwirkung von Magnetismus und Supraleitung. In den meisten Materialien bekämpften sich magnetische Ordnung und Supraleitung sehr stark. Der Grund dafür ist, dass beide Phänomene ihren Ursprung in denselben Elektronen haben. Falls diese schon bei der Stabilisierung von magnetischer involviert sind, könnten sie nicht auch noch zur Supraleitung beitragen und umgekehrt. Es war daher eine grosse Überraschung, als in einem Material, CeCoIn5, magnetischen Ordnung beobachtet wurde, die nur solange existiert, wie das Material supraleitend ist, und simultan mit der Supraleitung in einem scharfen Übergang zusammenbricht. Das zeigt, dass magnetischen Ordnung direkt an die Supraleitung gekoppelt ist.

In diesem Projekt untersuchen wir den elektronischen Zustand in CeCoIn5, der zu diesem einzigartigen supraleitenden Zustand führt. Wir machen das, indem wir CeCoIn5 mit Nd und Sm Ionen dotieren, was die elektronischen Struktur verändern. Mit Nd und Sm lassen sich die sogenannten f-Elektronen von den Ce Ionen lokalisieren, was zu einer wichtigen Veränderung der elektronischen Korrelationen führt. Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen der magnetischen Ordnung und Supraleitung gestört. Die Mechanismen, die zur Entstehung von Magnetismus und Supraleitung führen lassen damit genauer studieren.

Wir machen dies mit einer Reihe von mikroskopischen Methoden, mit denen wir die magnetischen and elektronischen Strukturen kontrolliert studieren können. Damit lassen sie die Übergänge der elektronischen und magnetischen Struktur, die beide durch einen quantenkritischen Übergang gehen, im Detail studieren. Naiverweise würde man erwarten, dass die magnetische Struktur sich ändert, sobald die elektronische Struktur sich ändert, aber die zwei Übergänge können auch entkoppelt sind, wie wir das in Nd-dotierem CeCoIn5 schon beobachtet haben. Wir werden versuchen, der Ursprung dieser Phänomene am Beispiel von CeCoIn5 im Detail zu verstehen.


Direct link to Lay Summary Last update: 05.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162671 Investigation of the quantum and vortex phases of CeCoIn5 at ultra-low temperatures 01.02.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Magnetism and superconductivity have an antagonistic relationship. It is well established that magnetic fields suppress superconductivity. In many materials magnetic order, both antiferromagnetic and ferromagnetic order, leads to a decrease or suppression of superconductivity. However, in many strongly-correlated electron materials, superconductivity emerges in the presence of strong magnetic fluctuations, but is completely absent when magnetic fluctuations are suppressed. This suggests that magnetic fluctuations play an important role for superconductivity.The family of CeTIn5 materials, where T=Co, Ir, Rh, are unique model materials to study strong correlations and their effect on the physical properties. It was shown that these materials show remarkable magnetic properties, but their interplay with the transport properties are not well understood. CeCoIn5 shows a spin-density wave magnetic order that only exists in the superconducting phase. Doping with magnetic impurities can induce magnetic order that competes with the superconductivity induced magnetic order. However, the origin of magnetic order and the nature of the competition is not understood. Here we propose study doped CeCoIn5 materials, doped with Nd and Sm, to study in detail the competition between the superconductivity and the transport properties. Using Nd doping, we can invert the relationship between magnetism and superconductivity, making each of them dominant in virtually the same lattice. The goal of the proposal is to microscopically understand the magnetism in doped CeCoIn5 materials, and its relationship to both the electron band structure and superconductivity. The project comprises the synthesis of polycrystalline and single-crystalline materials, the measurements of thermodynamic and transport properties, and the study of the magnetism and electron structure using neutron and synchrotron radiation. The most important goals include: 1) understanding of the magnetic interactions and the single-ion magnetic properties as CeCoIn5 is doped across a Kondo breakdown transition, 2) the identification of the Kondo breakdown transition as a function of Nd and Sm doping as either first or second order transition, and 3) the localization of the two series on a global heavy-fermion phase diagram, and 4) the study of magnetic order and associated quantum critical point within the superconducting condensate.The proposal request funding for one PhD student and one postdoctoral fellow for four years.
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