[論文レビュー] ESR of YbRh2Si2 and 174YbRh2Si2 : local and itinerant properties

J. Wykhoff, J. Sichelschmidt+8 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2007

Rare-earth and actinide compounds被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、重いフェルミオン化合物YbRh2Si2における異常な電子スピン共鳴（ESR）の起源を調査し、YPd3:Ybにおける良好に局在化したYb3+イオンのESR強度と比較する。ESR信号はほぼすべてのYbイオンに起因しており、超微細項の寄与を除外し、移動性に似た挙動を示す強い結合Yb3+–伝導電子系であることを示唆しているが、わずかな線形形状のずれは、標準モデルを超える複雑なスピンダイナミクスを示している。

ABSTRACT

Below the Kondo temperature the heavy Fermion compound YbRh$_{2}$Si$_{2}$ shows a well defined Electron Spin Resonance (ESR) with local Yb$^{3+}$ properties. We report a detailed analysis of the ESR intensity which gives information on the number of ESR active centers relative to the ESR of well localized Yb$^{3+}$ in YPd$_3$:Yb. The ESR lineshape is investigated regarding contributions from itinerant centers. From the ESR of monoisotopic $^{174}$YbRh$_{2}$Si$_{2}$ we could exclude unresolved hyperfine contributions to the lineshape.

研究の動機と目的

• YbRh2Si2におけるESR信号が局在したYb3+モーメントに起因するのか、それとも移動電子に起因するのかを特定すること。
• YbRh2Si2のESR強度を、良好に局在化したYb3+系（YPd3:Yb）と比較することで、ESR活性を示すYbイオンの数を定量化すること。
• Yb核スピンからの解像されない超微細構造がESR線形形状に寄与しているかどうかを評価すること。
• スピン拡散と移動性に似た緩和メカニズムがESR信号の形状をどのように決定しているかを評価すること。
• 強いKondoスクリーニングが働くにもかかわらず、Kondo温度以下でも持続的なESRが観測される理由を理解すること。

提案手法

• 0.69 K から 300 K の温度範囲で、XバンドESRスペクトルを、鎖線法を用いた周波数変調法で測定した。
• 皮膚効果およびマイクロ波の浸透深さを考慮した金属的ローレンツ線形形状を用いてESRスペクトルをフィットした。
• モル体積およびYb濃度に基づいた強度正規化を実施し、異なる試料間でのESR応答を比較した。
• スピン拡散のDyson理論を用いて、移動電子に特徴的なESR線形形状をモデル化し、スピン拡散時間の評価を行った。
• 天然同位体含有のYbRh2Si2（複数同位体）と単一同位体174YbRh2Si2（I=0）のESR線形形状を比較し、解像されない超微細分裂の有無を除外した。
• 線幅データのスケーリング（ΔB* = (ΔB − ΔB₀)/ΔB₀）を用いて、YbRh2Si2およびLaドープ系の間で普遍的な緩和挙動があるかをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbRh2Si2に含まれるYbイオンのうち、ESR活性を示す割合はどの程度であり、良好に局在化したYb3+系と比較してどう異なるか？
• RQ2 YbRh2Si2のESR線形形状に、Yb核スピン由来の解像されない超微細構造の痕跡が見られるか？
• RQ3 ESR線形形状は、移動電子に特徴的なスピン拡散メカニズムで説明可能か？
• RQ4 YbRh2Si2はKondo温度以下でも明確なESR信号を示すが、これは強いKondoスクリーニングの予想に反する。その理由は何か？
• RQ5 強い結合Yb3+–伝導電子系におけるスピンダイナミクスの本質は何か？

主な発見

• Yb濃度で正規化したESR強度は、良好に局在化したYb3+系と同等であり、ほぼすべてのYbイオンがESR活性であることを示唆している。
• ESR信号強度は体積スピン磁化率に比例しており、全YbイオンがESR応答に寄与していることを支持している。
• 天然同位体含有YbRh2Si2と174YbRh2Si2の両方で線形形状のスケーリングが同一であり、解像されない超微細構造は検出されなかった。
• 線幅スケーリング（ΔB*）は、YbRh2Si2の異なる試料間で普遍的なカーブに収束しており、残留抵抗率に支配される共通の緩和メカニズムを示している。
• スピン拡散を考慮しても、ESR線形形状の端末部（ウィング）において体系的なずれが観測され、標準的な移動電子モデルを超える非自明なスピンダイナミクスを示唆している。
• 有限のスピン拡散時間では説明できない線形形状のずれは、系が無限のスピン拡散時間に近い状態にあることを示しており、金属的ローレンツ線形形状と整合するが、残存するずれは強い結合効果を示している。