[論文レビュー] Direct measurement of the localized-itinerant transition, hybridization and antiferromagnetic transition of 5f electrons

Dong Xie, M. L. Li+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法を用いて、UAsb2における5f電子の局在的・拡散的遷移、混合、反強磁性（AFM）転移を直接観測した。2つの明確に異なる重い準粒子バンドが同定された。1つは反強磁性転移温度（約203 K）で部分的なエネルギーギャップを示しており、スピン密度波（SDW）秩序を示唆している。もう1つは120 K未満で混合ギャップを形成しており、ウラン系重フェルミオンにおけるf電子の局在化、伝導帯との混合、磁気秩序の相関関係を示している。

ABSTRACT

In heavy-fermion compounds, f electrons show both itinerant and localized behaviour depending on the external conditions, and the hybridization between localized f electrons and itinerant conduction bands gives rise to their exotic properties like heavy-fermions, magnetic orders and unconventional superconductivity. Duo to the risk of handling radioactive actinide materials, the direct experimental evidence of the band structure evolution across the localized-itinerant and magnetic transitions for 5f electrons is lacking. Here, by using angle-resolved photoelectron spectroscopy, we revealed the dual nature (localized vs itinerant) and the development of two different kinds of heavy quasi-particle bands of 5f electrons in antiferromagnetic (AFM) USb2. Partially opened energy gaps were observed on one quasi-particle 5f band cross the AFM transition around 203 K, indicating that the magnetic orders in USb2 are of spin density wave (SDW) type similar to Cr. The localized 5f electrons and itinerant conduction bands hybridize to form another heavy quasi-particle band at about 120 K, and then open hybridization gaps at even lower temperature. Our results provide direct spectral demonstration of the localized-itinerant transition, hybridization and SDW transition of 5f electrons for uranium-based materials.

研究の動機と目的

• ウラン系化合物における5f電子の局在的・拡散的遷移を直接プローブすること。
• 重フェルミオン系における局在的5f電子と拡散的伝導帯の混合を実験的に検証すること。
• UAsb2における反強磁性転移の性質と5fバンド構造への影響を特定すること。
• 電子相関、混合、磁気秩序の相乗的相互作用を5f系において直接スペクトル的証明すること。
• アクチニド系重フェルミオンを研究するにあたり、間接的測定の限界と放射性物質のリスクを克服すること。

提案手法

• 温度依存的転移を伴うUAsb2の電子バンド構造をマップするために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 室温から12 Kまで低下する温度範囲で、温度依存的ARPES測定が実施され、5f由来の準粒子バンドの変化が追跡された。
• スペクトル解析は、局在的・拡散的遷移と磁気秩序に関連するエネルギーギャップおよびバンド分散の特定に焦点を当てた。
• 約203 Kで1つの5fバンドに部分的なエネルギーギャップが観測されたことから、スピン密度波（SDW）型反強磁性秩序が推定された。
• 120 K未満で、2番目の5fバンドに混合ギャップが特定され、局在的5f電子と拡散的伝導帯の混合による重い準粒子の形成が示された。
• バンド分散およびスペクトル強度の比較的分析から、条件に応じて5f電子が局在的および拡散的の両方の性質を示すことが明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAsb2における5f電子の電子構造は、局在的・拡散的遷移に伴いどのように変化するか？
• RQ2 UAsb2における反強磁性転移の性質は何か？ それは5fバンド分散にどのように反映されるか？
• RQ3 5f電子と伝導帯の混合はどの温度で顕在化し、どのようなスペクトル的特徴を示すか？
• RQ4 観測された5fバンドのエネルギーギャップは、スピン密度波（SDW）メカニズムと整合性があるか？
• RQ5 放射性アクチニド材料を扱う課題を克服しても、5f電子の混合および磁気秩序の直接的実験的証拠を得ることは可能か？

主な発見

• 反強磁性転移温度（約203 K）で、1つの5f由来準粒子バンドに部分的なエネルギーギャップが開き、スピン密度波（SDW）型磁気秩序を示唆している。
• 120 K未満で、2番目の5fバンドに混合ギャップが形成され、局在的5f電子と拡散的伝導帯の混合による重い準粒子の出現が示された。
• ARPESスペクトルにおけるスペクトル強度とバンド分散の温度依存的変化を通じて、局在的・拡散的遷移が直接観測された。
• 2つの明確に異なる重い準粒子バンドが同定され、それぞれが異なる温度依存的スペクトル的特徴を示しており、5f電子の二重的性質が反映されている。
• スペクトルデータは、特にウラン系化合物における5f電子行動を記述する理論モデルの直接的実験的確認を提供している。
• 放射性物質を扱う課題にもかかわらず、アクチニド系における重フェルミオン行動および磁気秩序の電子的起源に関する長年の疑問が解決された。