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Research Collection
Doctoral Thesis
Evidence for unconventional superconductivity in UPt₃ based on
magnetic measurements
Author(s):
Amann, Andreas
Publication Date:
1997
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-001759828
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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-2>
Diss. ETH QX
Diss.ETHNo. 12141
Evidence for
Unconventional
Based
on
Superconductivity in UPt^
Magnetic Measurements
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
ZURICH
for the
degree
of
Doctor of Natural Sciences
presented by
ANDREAS AMANN
Dipl. Phys. ETH
born
on
the 21st
August
citizen of Zurich
1970
(ZH)
<^y^
accepted
on
the recommendation of
Prof. Dr. A.C. Mota, examiner
Prof. Dr. H.
von
Ldhneysen,
co-examiner
Prof. Dr. T.M. Rice, co-examiner
1997
a
•
l
Abstract
This thesis deals with
fermion
in
measured
Special
these
focus
differentiating the multiple superconducting phases
cay law
being
fields Hrrax
trapped
can
in
was
on
field,
in zero
by
7"c+
of most other
sample
after
with the parameters
the
sample,
a
t
105
~
increasing the
—
106s
a
=
heat of the
superconductors
cycling
exponential
/3
~
0 6
—
07
as
has been
further into the
especially
sample
surface and vortices
in
for
in
particular the
For very low
M(0)
for short times (t
-
<
MKm (t)
100
higher cycling fields,
the bulk of the
de¬
cycling
sample
laws
1
can
==
zero
again,
,
reported previously [1]
field Hmax such that the cntical state
fit with the above expression does not give
curve
sample
law of the form
[M(0) -M(oo)] exp[-(?/T)'i]
and
tran¬
the relaxation of the remanent magnetization
stretched
An additional contribution of the form
form of the
superconducting
UPt3 shows unique behaviour,
Oe),
configuration was
the magnetic field up to Hmax and back to
cycling
Mrem« -M(~)
on
specific
different from the
one
metastable
These transition temperatures have been
in
the order of several
a
A and B with the two
and T~
measurements of the
be rather well described using
However,
phases
dynamics at low fields
(of
the
put
the two low-field
characterized
The flux
UBei 3 In order to obtain information on the dynamics
their relaxation from
temperatures
thoroughly
and
superconductors,
UPt3, especially
sition
investigation of the low-field magnetic properties of the heavy
superconductors UPt3
of vortices
in
an
satisfactory
log?
is
reached for
results anymore
builds up and
changes
the
s) Since the magnetic flux penetrates
a
distinction between vortices at the
be made
by
means
of different
decay
2
Abstract
analysis
The
of the temperature
ing results for both types of vortices
to
(up
the lowest temperatures
sample
may
tunneling
decay
present The rate S
other hand
ture
T~, die
upper
present
temperature
in
The drastic
ing
phases
zero
UPt3
Tc+
be
recent measurements
initially trapped
some
for T
rather
Using
m
sample,
locally the magnetic induction
different locations of the
same
high-temperature superconductors
short times t
—
T~,
strength
the
on
close to the
superconduct¬
B-phase
interpretation, also the results of
can
analyzed
be
and
some
explained
behaviour between vortices at the surface and
designed
Hall-sensor setup
This setup gives the
active area of 10
10/im2
x
also
measurements were
was
built inside
ability
to measure
—
simultaneously
is
performed
for
a
crystal
the difference between surface and bulk vortices
smaller than for
UPt3
clearly
vortices to the total
of
can
decay
Moreover, the temperature dependence of the
different than
in
UPt3,
being
no
linear
strong reduction
in
in
temperature down
0
Furthermore, low-field
Especially
the
is
the
low-temperature B-phase
between the two low-field
same
in
an
the
in
,
the rate for low temperatures could be observed, the rate
to
—
additional strong pinning mecha¬
an
l e
10-3
5
~
result from the assumption that the
to
refrigerator
with
results
relaxation rate for bulk vortices
=
of bulk vortices
values 5
However, the contribution from surface
being significantly
toT
10s)
~
the
m
type of quantum
sample
following
also be observed
<
a custom
type of relaxation
UBe 13 giving the
at
the literature
the mixing chamber of the dilution
The
0), indicating that
rapidly reaching
In order to understand the difference
at
—y
This indicates that
explained
reported
the bulk of the
rather strong down
is
104s
the pinning
in
can
breaks time-reversal symmetry
vortices in
of surface vortices
10% of the total magnetization
for temperatures T
change
A and B
of the relaxation rate leads to surpris¬
for low temperatures Around the lower transition tempera¬
rate starts to increase
transition
nism is
decay
-31nM/31nr (taken
=
practically
is
the
effect rather well known from the
an
—
to
within the first
dependence
for the
signal
susceptibility
investigated single crystal
high sensitivity
from the
ac
of the
studies
of
UPt3,
new
of the measuring system used
superconducting
transition at
component of the susceptibility could be observed
performed
were
for all the
well below and
7"c+,
a
samples
features could be observed due
small
This
peak
peak
is
in
clearly separated
the
out-of-phase
very sensitive to the
3
Abstract
of the measuring field, nevertheless, the upper onset of the
amplitude Hac
remains at a
constant
temperature T
lower transition temperature T~
We thus propose to
between the
be
two
explained
parameter
in
identify
low-field
the two
peak
with
as
a
obtained from
feature
superconducting phases
axes
UPt3,
specific
heat measurements
from the
resulting
Also the
To
around
occurrence
phase
of this
transition
peak
can
temperature T
knowledge,
any sign of this transition
~
5
-
6K,
measured
a
small difference
along different crys-
This temperature agrees well with the temperature
could be found
our
a
dependencies of the susceptibility
antiferromagnetic ordering
surements
480 mK This temperature agrees very well with the
476 mK
phases
between the temperature
where
this
dissipation peak
with different vortex structures due to different stable states of the order
In the normal state of
tallographic
=
~
has been observed be
this
is
means
of neutron diffraction
the first measurement of
ac
T/j
mea¬
susceptibility revealing
Kurzfassung
Diese Dissertation befasst sich mit
bei schwachen Feldern
formation uber die
laxation
von einer
de auf die
in
Flussdynamik
mittels
Messungen
Die
der
zwei
1m
in
ten, insbesondere ist das
deren
Supraleitern
fahren
der Probe
Zerfallsgesetz
jedoch
das
Verwendung
Zyklierfeld Hmax
reicht wird,
so
ergibt
Ein zusatzlicher
verschieden
bis
zum
Phasen
Augenmerk
von
zwei
wur¬
UPt3 gench-
supraleitenden
Ubergangstemperaturen
ein
=
welter
wurden
Magnetisierung,
in
den meisten
Zykherfelder
"stretched
ff
an-
welche nach Durch-
max
zu
H
=
0
in
(von der Grossen-
exponential"-Gesetz
der Form
[M(0) -M(oo)] exp[-(»/T)*]
erhoht,
obigem
der Form
demjemgen
von
Maximalfeld Hmax und zuruck
der Parameter
der Fit mit
Beitrag
Besonderes
und B mit den
Diese
Tc
Um In¬
UBe^
gewinnen, wurde deren Re¬
supraleitenden
lasst sich fur sehr kleine
Mrem(/) -Af(~)
unter
untersucht
Die Relaxation der remanenten
gefangen bleibt,
und
UPt3 bei schwachen Feldern besitzt einzigartige Eigenschaf¬
ordnung eimger Oe) relativ gut durch
beschreiben,
und
zu
Warme der Probe genau charaktensiert
Magnetisierungszyklus
eines
Tc+
magnetischen Eigenschaften
Supraleitern UPt3
Niedngfeld-Phasen A
Nullfeld,
der
Supraleitern
Konfiguration
spezifischen
Flussdynamik
diesen
m
der verschiedenen
Unterscheidung
Ubergangstemperaturen
Untersuchung
den Schwer-Fermion
metastabilen
tet, insbesondere auf die
einer
M(0)
so
t
~
105
-
106s und j3
M(t)
«
logf
Relaxationskurve, insbesondere fur kurze Zeiten (t
5
0 6
-
0 7
[ 1 ] Wird
dass der kritische Zustand fur die Probe
Ausdruck keine
-
~
<
befnedigenden
er-
Resultate mehr
tritt auf und andert die Form der
100 s)
Da der
magnetische
Fluss
Kurzfassung
6
mit
steigendem Zykherfeld
nen
Zerfallsverhaltens
an
der
Untersuchung
Die
von
Innern der Probe
im
Probe
Anzeichen, dass
ein
Hochtemperatur-Supraleitern
rate S
im
Eigenschaften
konnen fur T
-31nM/31nf
=
Art
eine
der unteren kritischen
und erreicht den Wert S
Dies ist
der fur
Hinweis auf die Existenz
ein
Temperaturen
Die drastische
<
T
T~, d h
Anderung
Niedngfeld-Phasen
tenden
—y
in
in
der
Gegend
eines
der
Analyse
und
(Vortizes)
—
anfanglich
—
Null fur tiefe
der
von
den
Die Relaxations-
auftntt
10 s bestimmt
~
in
104s zerfallen)
Effekt, der
em
Typen
Oberflachen-
wurde) der Vortizes
In der
Temperaturen
Rate relativ schnell
der oberen kritischen
zu
steigen
Temperatur Tc+
zusatzhchen, starken Pinmng-Mechanismus,
Tieftemperatur
der Starke des
B-Phase
Pinmngs
von
UPt3, auftntt
zwischen den
zwei
supralei¬
A und B kann durch die Annahme, dass die B-Phase die
Zeitumkehr-Symmetne verletzt, erklart werden
auch die
t
praktisch gleich
in
10% der
zu
von
0 innerhalb der ersten
Temperatur T~ begmnt die
10~3
5
~
Der Zerfall
Quantenkriechen
(welche fur kurze Zeiten
Flusshnien
Relaxationsrate fur beide
Tage
zu
her ziemhch gut bekannt ist
Innern der Probe andererseits ist
Gegend
von
des verschiede-
aufgrund
werden
Temperaturen (bis
sehr tiefen
zu
gefangenen Magnetisierung
Dies ist
gemacht
kann
magnetischen
zwischen
Temperaturabhangigkeit der
Vortizes fordert uberraschende
Vortizes ist stark bis hin
eindnngt,
die Probe
in
Unterscheidung
eine
der Oberflache und
weiter
Erklarung
Dieselbe
der Resultate emiger
Interpretation
Messungen,
erlaubt zudem
uber welche kurzlich
benchtet wurde
Um den Unterschied
Probe
zu
untersuchen, wurde
Hall-Sensor
hcht die
in
ein
von
durchgefuhrt
10um2
x
—
Im
Vortizes
an
und
ergab
die
Gegensatz
zu
UPt3
Mischkryostaten eingebaut
der Vortizes
im
Innern
im
Innern der
basierend auf
—
einem
System
ermog-
mit einer
aktiven
Dieses
Induktion
magnetischen
verschiedenen Orten der Probe
wurde ausserdem auch fur
der Oberflache und
hier
jedoch
der
eindeutig
Auch fur dieses
im
Beitrag
totalen Relaxation deuthch kleiner Ausserdem ist die
xationsrate
Messsystem
folgenden Ergebmsse
an
ist
der Oberflache und
an
eigens entwickeltes
Relaxationsmessungen
Unterschied zwischen Vortizes
werden
von
der lokalen
gleichzeitige Messung
Dieselbe Art
ein
Verhalten
die Mischkammer des
Flache der Grosse 10
Kristall
im
einen
UBei3-
System
kann
Innern der Probe beobachtet
der Oberflachen-Vortizes
Temperaturabhangigkeit der
anders als fur UPt3,
es
zur
Rela
konnte keine Starke
1
Kurzfassung
Reduktion der Relaxationsrate fur tiefe
sich linear
bezughch
der
Temperaturen beobachtet werden, die
Temperatur bis
hinunter
Zusatzhch wurde fur alle Proben die
tersucht Insbesondere fur den gemessenen
Empfindhchkeit
terhalb und
Peak
in
eindeutig getrennt
der zweiten
Breite dieses
setzen
des verwendeten
der
sind stark
Dissipation
480 mK Diese
Temperatur
T
spezifischen
Warme der Probe
uberein
der
Daher
schlagen
wir
Auch dieses
aufgrund
Signal
Temperaturen
Temperatur
bestimmten,
erklart werden
ein
kleiner Unterschied
Des weiteren konnte
lang
verschiedener
in
ist
Messungen
uberein Nach
tat
die
eine
rc+
stimmt
gut
mit
un-
kleiner
zwei
Hac bei
von
einer
der, durch Messungen der
Temperatur
T~
=
476 mK
zuzuschreiben,
supraleitenden Niedngfeld-Phasen
im
Normalzustand
von
Ordnungsparameters
UPt3
bei
einer
den
in
Temperatur
Temperaturabhangigkeit der Suszeptibihtat,
beobachtet werden Die
Temperatur TN,
Neutronen-Streuung antiferromagnetische Ordnung
Signatur
ein
des Messfeldes, das Ein-
vor, den gemessenen Peak einem Effekt
den
Klar
kann durch das Auftreten verschiedener Vortex-Strukturen
der
Wissen ist die
dieses
un-
beobachtet werden Die Position und
unteren kritischen
knstallographischer Achsen,
unserem
konnte
jedoch unabhangig
der dieser Unterschied auftntt, stimmt gut mit der
von
bei
Amplitude Hac
unterschiedhcher stabiler Zustande des
sen
bei schwachen Feldern
Effekte entdeckt werden
neue
der
von
aufgrund des Phasenubergangs zwischen
auftntt
0
supraleitenden Ubergang
abhangig
bei hohen
=
UPt3 Einknstall konnten, aufgrund der hohen
Messsystems,
vom
T
Suszeptibihtat
Komponente der Suszeptibihtat
Signals
~
ac
zu
Rate verhalt
vorhegende
Ubergangs
die erste
beobachten konnte
Messung
T
zwei
~
5
Pha-
—
6K
gemessen ent-
Temperatur,
bei
bei welcher mittels
beobachtet wurde,
der
ac
Suszeptibih¬