Technische Universität Wien
Institut für Festkörperphysik

FWF - P 29296-N27: UltraLowT

Funding institution:
FWF Austrian Science Fund

Project leader:
Silke BÜHLER-PASCHEN         

Project duration:
August 2016 - January 2021

QUANTUM CRITICALITY AND NEW PHASES AT ULTRALOW TEMPERATURES (UltraLowT)

Excitations freeze out as we cool down solids to low temperatures. At the absolute zero – except for zero-point fluctuations deemed undetectable in macroscopic solids – everything is totally silent, with one exception: at a quantum critical point matter undergoes strong collective quantum fluctuations. Quantum criticality describes these fluctuations and their extension to finite temperature. Quantum critical behavior has been reported in various systems including the cuprate and pnictide superconductors, low-dimensional and frustrated quantum magnets, organic conductors, multilayer 3He films, and heavy fermion compounds. The latter have emerged as prototypal systems in the past decade.

A wealth of studies has provided a good understanding of some aspects, but many important questions remain open. For instance, do robust quantum critical scaling laws exist? Which kind of quantum critical behavior can lead to unconventional superconductivity?

With the present project we set out to answer these and related questions by extending the accessible temperature range by more than two orders of magnitude beyond state-of-the-art, into the microkelvin temperature range. Using a nuclear demagnetization cryostat we realized high-resolution electrical transport measurements on a prototypal heavy fermion material to temperatures well below 1 milikelvin. As one of our key results we discovered unconventional superconductivity condensing out of an extreme “strange metal” state – where electrical resistivity is strictly linear in temperature over 3.5 orders of magnitude. We propose that the Cooper pairing is realized by the unusual fermionic quantum critical fluctuations associated with the underlying “Kondo destruction” quantum critical point (where the Kondo effect breaks up), a mechanism that may well be pertinent also to other materials classes. We expect our results on an ultralow temperature superconductor to boost progress also in other materials classes, including the high-temperature cuprate superconductors.

QUANTENKRITISCHES VERHALTEN UND NEUE PHASEN BEI ULTRATIEFEN TEMPERATUREN (UltraLowT)

Anregungen frieren aus, wenn wir Festkörper auf tiefe Temperaturen abkühlen. Abgesehen von Nullpunktschwankungen, die in Festkörpern als nicht detektierbar gelten, ist am absoluten Temperaturnullpunkt alles in völliger Ruhe. Mit einer Ausnahme: Quantenkritische Punkte, an denen das Material durch kollektive Quantenfluktuationen buchstäblich durchgeschüttelt wird. Quantenkritisches Verhalten wurde in verschiedensten Systemen einschließlich den Kuprat- und Pniktid-Supraleitern, niedrigdimensionalen und frustrierten Quantenmagneten, organischen Leitern, Mehrschicht-3He-Filmen und Schwere-Fermionen-Verbindungen beobachtet. Untersuchungen an letzteren sind besonders detailliert und haben Modellcharakter.

Trotz der Vielzahl an Untersuchungen bleiben aber wesentliche Fragen offen. So fehlen zum Beispiel für die meisten quantenkritischen Schwere-Fermionen-Verbindungen universelle Skalierungskurven über Größenordnungen in der Temperatur, – Eckpfeiler der klassischen Kritikalität. Ebenso ist unklar, ob das Auftreten von unkonventioneller Supraleitung oder anderen neuen Phasen der Nähe von quantenkritischen Punkten universell ist oder zwischen verschiedenen Klassen von quantenkritischen Punkten unterscheidet.

Das vorliegende Projekt sollte diesen und verwandten Fragen auf den Grund gehen. Dazu wurde der zugängliche Temperaturbereich um mehr als zwei Größenordnungen über den Stand der Technik hinaus in den Mikrokelvin-Temperaturbereich erweitert. Mit einem Kernentmagnetisierungs-Kryostaten haben wir hochauflösende elektrische Transportmessungen an einem prototypischen Schweren-Fermion-Material bis zu Temperaturen deutlich unter 1 Millikelvin durchgeführt. Als eines unserer wichtigsten Ergebnisse haben wir unkonventionelle Supraleitung entdeckt, die unmittelbar aus dem Zustand eines „seltsamen Metalls“ mit extremer Ausprägung (der elektrische Widerstand ist hier über 3,5 Größenordnungen streng linear in der Temperatur) kondensiert. Dies legt nahe, dass die diesem Verhalten zugrunde liegenden fermionischen quantenkritischen Fluktuationen für die Cooper-Paar-Bildung verantwortlich sind. Dieser neue Mechanismus könnte auch für andere Materialklassen relevant sein. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zu einem Ultratieftemperatur-Supraleiter auch für andere Materialklassen relevant sind, und vielleicht sogar der Schlüssel zum Verständnis der Kuprat-Hochtemperatur-Supraleiter sind.