KIP-Veröffentlichungen

Eines der interessantesten Themen im Gebiet der elektronisch hochkorrelierten Systeme ist die Konkurrenz verschiedener Grundzustände wie zum Beispiel Magnetismus und Supraleitung. Die sogenannten Schwere-Fermion Systeme sind aufgrund ihrer niedrigen charakteristischen Energie (Fermi-Temperatur) besonders zur Untersuchung einer solchen Konkurrenz geeignet, da der Grundzustand durch Druck oder ein Magnetfeld einfach verändert werden kann.
In dieser Arbeit wurde das Hochdruck-Phasendiagramm der Schwere-Fermion Verbindung URu₂Si₂ durch Messungen des spezifischenWiderstands und der spezifischenWärme im Detail untersucht. Der hydrostatische Druck wurde von einer Diamant-Stempel-Druckzelle erzeugt und die spezifische Wärme mittels AC-Kalorimetrie gemessen. Alle Messungen wurden an derselben Probe durchgeführt. Bei Normaldruck werden in dieser Verbindung zwei aufeinander folgende Phasenübergänge beobachtet. Bei T₀ = 17.5 K geht das System in eine geordnete Phase über, deren Ordnungsparameter jedoch trotz intensiver Anstrengungen noch nicht eindeutig bestimmt werden konnte. In der Literatur wird diese Phase daher ”versteckte Ordnung” genannt. In Neutronenstreuexperimenten wurde ein geordnetes magnetisches Moment von m = 0.03 μ_B bestimmt; dieses ist allerdings viel zu gering, um die große Entropieänderung beim Phasenübergang zu erklären. Bei tiefen Temperaturen unterhalb von T_C = 1.4 K wird die Verbindung zusätzlich supraleitend. Unter Druck findet ein Übergang zu einer normalen antiferromagnetischen Phase mit einem größeren geordneten Moment statt. Das Zusammenspiel zwischen der versteckten Ordnung und der antiferromagnetisch geordneten Phase und deren Einfluss auf die Supraleitung wurde durch unsere Untersuchung besser verstanden: Das Phasendiagramm zeigt vier getrennte Bereiche. Die Grenzlinie zwischen der versteckten Ordnung und der antiferromagnetischen Phase konnte sowohl in den Messungen der spezifischen Wärme als auch des spezifischen Widerstands zum ersten Mal bestimmt werden. Sie steigt mit dem Druck steil an und trifft auf die Phasengrenzlinie T₀(p). Die typische Form der Anomalie im spezifischen Widerstand beim Eintritt in die versteckte Ordnung, verursacht durch ein Umordnen der Fermi-Fläche unterhalb von T₀, wurde bis zum größten gemessenen Druck von p = 5.5 GPa beobachtet. Dies bedeutet, dass die mit der Umordnung einhergehende Spin-Dichte-Welle bis zu hohen Drücken fortbesteht und mit der antiferromagnetischen Phase koexistiert. Die Volumen-Supraleitung koexistiert mit der versteckten Ordnung, wird aber bei dem Druck unterdrückt, bei dem die antiferromagnetische Phase stabilisiert wird. Damit verhält sich URu₂Si₂ anders als übliche Schwere-Fermion Supraleiter auf Uranbasis, in denen eine mikroskopische Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus beobachtet wurde.

One of the most exciting topics in strongly correlated electron systems is the competition between different ground states like magnetic order and superconductivity. The so-called heavy fermion compounds are, due to their low characteristic energy (Fermi temperature), extremely suitable to study such a competition because the ground state properties can be modified easily by applying pressure or magnetic field. In this work we have studied in detail the pressure-temperature phase diagram of the uranium based heavy fermion compound URu₂Si₂ by resistivity and ac-calorimetric measurements under highly hydrostatic pressure and at low temperature. All measurements were carried out on the same sample in a diamond anvil cell. At zero pressure this compound shows two successive phase transitions. The first transition occurs at T₀ = 17.5 K to the so-called ”hidden order” phase. The nature of the order parameter of this phase is still unknown. The observed ordered magnetic moment of m = 0.03 μ_B is too small to explain the enormous anomaly in specific heat, which is due to a condensation process where a gap opens on the Fermi surface. Below 1.4 K superconductivity coexists with this phase. Under pressure a probably first order transition to a usual antiferromagnetic phase with a larger ordered moment develops. Our investigation sheds new light on the interplay between the different ground states. The pressure phase diagram we established shows four distinct regions. The transition line between hidden order and antiferromagnetism is seen in both resistivity and ac-specific heat for the first time. It shifts very strongly to higher temperatures with increasing pressure and joins the transition line T₀(p). The typical shape of the resistivity, which is caused by the rearrangement of the Fermi surface, persists to the highest pressure we measured of p = 5.5 GPa, indicating that the spin density wave, associated to the rearrangement, is coexistent with the antiferromagnetic phase at high pressures. The superconducting phase is suppressed at the pressure where the antiferromagnetic phase emerges, whereas in other uranium based heavy fermion systems magnetism and superconductivity can microscopically coexist.