We report the observation of heavy-fermion superconducitivity in CeCoIn5 at Tc =2.3 K. When compared to the pressure-induced Tc of its cubic relative CeIn3 (Tc ~200 mK), the Tc of CeCoIn5 is remarkably high. We suggest that this difference may arise from magnetically mediated superconductivity in the layered crystal structure of CeCoIn5 .

We report specific heat measurements of the heavy fermion superconductor CeCoIn5 in the vicinity of the superconducting critical field H(c2), with magnetic fields in the [110], [100], and [001] directions, and at temperatures down to 50 mK. The superconducting phase transition changes from second to first order for fields above 10 T for H parallel [110] and H parallel [100]. In the same range of magnetic fields, we observe a second specific heat anomaly within the superconducting state. We interpret this anomaly as a signature of a Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) inhomogeneous superconducting state. We obtain similar results for H parallel [001], with the FFLO state occupying a smaller part of the phase diagram.

CeIrIn5 is a member of a new family of heavy-fermion compounds and has a Sommerfeld specific-heat coefficient of 720 mJ/molK2. It exhibits a bulk, thermodynamic transition to a superconducting state at Tc = 0.40 K, below which the specific heat decreases as T2 to a small residual T-linear value. Surprisingly, the electrical resistivity drops below instrumental resolution at a much higher temperature T0 = 1.2 K. These behaviors are highly reproducible and field-dependent studies indicate that T0 and Tc arise from the same underlying electronic structure. The layered crystal structure of CeIrIn5 suggests a possible analogy to the cuprates in which spin/charge pair correlations develop well above Tc.

With only a few exceptions that are well understood, conventional superconductivity does not coexist with long-range magnetic order (for example, ref. 1). Unconventional superconductivity, on the other hand, develops near a phase boundary separating magnetically ordered and magnetically disordered phases. A maximum in the superconducting transition temperature T(c) develops where this boundary extrapolates to zero Kelvin, suggesting that fluctuations associated with this magnetic quantum-critical point are essential for unconventional superconductivity. Invariably, though, unconventional superconductivity masks the magnetic phase boundary when T < T(c), preventing proof of a magnetic quantum-critical point. Here we report specific-heat measurements of the pressure-tuned unconventional superconductor CeRhIn5 in which we find a line of quantum-phase transitions induced inside the superconducting state by an applied magnetic field. This quantum-critical line separates a phase of coexisting antiferromagnetism and superconductivity from a purely unconventional superconducting phase, and terminates at a quantum tetracritical point where the magnetic field completely suppresses superconductivity. The T --> 0 K magnetic field-pressure phase diagram of CeRhIn5 is well described with a theoretical model developed to explain field-induced magnetism in the high-T(c) copper oxides, but in which a clear delineation of quantum-phase boundaries has not been possible. These experiments establish a common relationship among hidden magnetism, quantum criticality and unconventional superconductivity in copper oxides and heavy-electron systems such as CeRhIn5.

Low temperature specific heat and thermal conductivity measurements on the ambient pressure heavy fermion superconductors CeIrIn5 and CeCoIn5 reveal power law temperature dependences of these quantities below T(c). The low temperature specific heat in both CeIrIn5 and CeCoIn5 includes T2 terms, consistent with the presence of nodes in the superconducting energy gap. The thermal conductivity data present a T-linear term consistent with the universal limit (CeIrIn5), and a low temperature T3 variation in the clean limit (CeCoIn5), also in accord with prediction for an unconventional superconductor with lines of nodes.

Strong magnetic fluctuations can provide a coupling mechanism for electrons that leads to unconventional superconductivity. Magnetic order and superconductivity have been found to coexist in a number of magnetically mediated superconductors, but these order parameters generally compete. We report that close to the upper critical field, CeCoIn 5 adopts a multicomponent ground state that simultaneously carries cooperating magnetic and superconducting orders. Suppressing superconductivity in a first-order transition at the upper critical field leads to the simultaneous collapse of the magnetic order, showing that superconductivity is necessary for the magnetic order. A symmetry analysis of the coupling between the magnetic order and the superconducting gap function suggests a form of superconductivity that is associated with a nonvanishing momentum.

The thermal conductivity of heavy-fermion superconductor ${\mathrm{CeCoIn}}_{5}$ was measured with a magnetic field rotating in the tetragonal $a\ensuremath{-}b$ plane, with the heat current in the antinodal direction, $J||\text{ }[100]$. We observe a sharp resonance in thermal conductivity for the magnetic field at an angle $\mathrm{\ensuremath{\Theta}}\ensuremath{\approx}12\ifmmode^\circ\else\textdegree\fi{}$, measured from the heat current direction [100]. This resonance corresponds to the reported resonance at an angle ${\mathrm{\ensuremath{\Theta}}}^{\ensuremath{'}}\ensuremath{\approx}33\ifmmode^\circ\else\textdegree\fi{}$ from the direction of the heat current applied along the nodal direction, $J||[110]$. Both resonances, therefore, occur when the magnetic field is applied in the same crystallographic orientation in the two experiments, regardless of the direction of the heat current, proving conclusively that these resonances are due to the structure of the Fermi surface of ${\mathrm{CeCoIn}}_{5}$. We argue that the uncondensed Landau quasiparticles, emerging with field, are responsible for the observed resonance. We support our experimental results with density-functional-theory model calculations of the density of states in a rotating magnetic field. Our calculations, using a model Fermi surface of ${\mathrm{CeCoIn}}_{5}$, reveal several sharp peaks as a function of the field direction. Our study demonstrates that the thermal-conductivity measurement in rotating magnetic field can probe the normal parts of the Fermi surface deep inside the superconducting state.