[論文レビュー] Band dependent emergence of heavy quasiparticles in CeCoIn5

A. Koitzsch, T. K. Kim+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、T = 1.4 K における角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、重フェルミオン超伝導体 CeCoIn5 における f 電子のバンド依存性の混合を直接測定した。最も2次元的であるバンド（バンド133）は、伝導電子との混合が最も弱く、2次元的バンドが最も強く混合されるという仮定に反する結果が得られ、有効質量増大とフェルミ面トポロジーのバルク測定結果（de-Haas-van-Alphen 測定）と半定量的に整合した。

ABSTRACT

We investigate the low temperature (T $

研究の動機と目的

• CeCoIn5 における f 電子の混合のバンド依存性を解明すること。これは、量子臨界点付近に位置する典型的な重フェルミオン超伝導体である。
• フェルミ面付近のバンドにわたって、混合が2次元的（2D）バンドで最も強いのか、あるいは一様に分布しているのかという長年の曖昧さを解消すること。
• ARPES で測定された電子構造と、有効質量増大やフェルミ面トポロジーといったバルク性質を定量的に結びつけること。
• 高分解能・低温 ARPES データに対して、簡略化された多バンド周期的アンダーソンモデル（PAM）の記述の妥当性を検証すること。
• 115型重フェルミオン系における、バンド依存性の混合が、非摂動的超伝導および磁気揺動の相互作用に与える影響を調査すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）は、BESSY IIビームラインを用い、Ce 4f 态の共鳴増幅を得るため 121 eV の光子エネルギーを用いて行った。
• 低温（1.4 K まで）でイン・スイートに切断された高品質な CeCoIn5 単結晶を用い、コherent で重い準粒子状態にアクセスした。
• エネルギー分解能を ΔE = 22 meV に維持することで、バンド分散および混合ギャップの正確な決定が可能になった。
• 観測されたスペクトル特徴と混合パラメータ（Vcf）の抽出を目的として、簡略化された多バンド周期的アンダーソンモデル（PAM）を用いてシミュレーションを行った。
• シミュレートされたバンド分散と非縮退 LDA バンドを比較することで、フェルミ速度の再縮約を計算し、有効質量増大（m*/m_b）の抽出を可能にした。
• 結果は、de-Haas-van-Alphen（dHvA）測定と照合され、フェルミ面のバルク的性質および質量増大要因の一貫性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非摂動的超伝導のモデルでよく仮定されているように、CeCoIn5 における f 電子と伝導電子の混合は、2次元的バンドで最も強いのだろうか？
• RQ2 CeCoIn5 における f 電子の混合度は、異なる電子バンドでどのように変化するのか。また、その運動量（k）および温度依存性は何か？
• RQ3 ARPES で測定されたバンド分散および混合ギャップは、有効質量およびフェルミ面トポロジーのバルク感受性測定（dHvA 測定）とどの程度一致するのか？
• RQ4 簡略化された多バンド PAM 述べは、CeCoIn5 における観測された低エネルギー電子構造および質量増大を定量的に再現できるのか？
• RQ5 バンド依存性の混合が、115型重フェルミオン材料における超伝導、磁気秩序、および量子臨界性の相関関係をどのように決定づけるのか？

主な発見

• CeCoIn5 における最も2次元的であるバンド（バンド133）は、f 電子の混合が最も弱く、混合行列要素 Vcf ≈ 12.5 meV であった。これは、2次元的バンドの混合が強化されるという予想に反する。
• バンド135 は、バンド133 よりも顕著に大きな質量増大（ΓM における m*/m_b ≈ 16.5）を示しており、3次元的特性にもかかわらず、より強い混合を示している。ただし、その混合ギャップは ARPES の検出限界以下である。
• バンド133 および135 における ARPES 衍生のフェルミ面面積は、de-Haas-van-Alphen（dHvA）測定と定量的に一致しており、ARPES データのバルク的性質が確認された。
• ARPES シミュレーションから導出された有効質量増大（例：MX におけるバンド133 で m*/m_b ≈ 14.7）は、dHvA 測定結果と半定量的に整合しており、m* のモデルベース抽出手法の妥当性が裏付けられた。
• 低温における混合ギャップの開口は ARPES で確認された。バンド133 は明確なギャップ構造を示したが、バンド135 は分解能限界（22 meV 未満）のため検出不能なギャップを有する可能性がある。
• 結果から、2次元的バンドにおける弱い混合が、2次元的磁気揺動を強化し、非摂動的超伝導を促進する可能性があることが示唆され、k_z 依存性の混合モデルの必要性が強調された。