[論文レビュー] Fermi surface of the heavy fermion superconductor PrOs$_{4}$Sb$_{12}$

Hitoshi Sugawara, S. Osaki+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2002

Rare-earth and actinide compounds被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Pr基の重い fermion 超伝導体 PrOs₄Sb₁₂ におけるフェルミ面およびサイクロトロン有効質量を直接プローブするため、de Haas-van Alphen (dHvA) 量子振動測定が用いられた。結果は、非磁性参照化合物 LaOs₄Sb₁₂ と類似したフェルミ面トポロジーを示し、Pr 4f 電子の局在的性質を確認した一方で、2.4–7.6 m₀ の顕著な有効質量増大を示し、PrOs₄Sb₁₂ が Pr 基化合物における最初の確認された重い fermion 超伝導体であることを確立した。

ABSTRACT

We have investigated the de Haas-van Alphen effect in the Pr-based heavy fermion superconductor PrOs$_4$Sb$_{12}$.The topology of Fermi surface is close to the reference compound LaOs$_4$Sb$_{12}$ and well explained by the band structure calculation based on the FLAPW-LDA+U method, where the 4{\it f} electrons are localized. We have confirmed a highly enhanced cyclotron effective mass 2.4$\sim7.6m_{ m 0}$ which is apparently large compared to the usual Pr-based compounds.

研究の動機と目的

• Pr基の重い fermion 超伝導体 PrOs₄Sb₁₂ の電子構造およびフェルミ面トポロジーを特定すること。
• de Haas-van Alphen 効果による直接測定を通じて、有効質量増大を確認する。
• 非磁性参照化合物 LaOs₄Sb₁₂ のフェルミ面と比較することで、局在的 4f 電子の役割を評価すること。
• 電子構造と特異な超伝導特性を関連付けることで、PrOs₄Sb₁₂ における重い fermion 超伝導の起源を調査すること。

提案手法

• PrOs₄Sb₁₂ および LaOs₄Sb₁₂ の単結晶を用い、30 mK まで冷却し、最大 17 T の磁場下で de Haas-van Alphen (dHvA) 量子振動測定を実施した。
• dHvA 振動の高速フーリエ変換（FFT）解析を用いて、基本周波数を抽出し、明確なフェルミ面分岐（α、β、γ）を同定した。
• dHvA 周波数の角度依存性を測定し、フェルミ面トポロジーをマッピングし、立方対称性を確認した。
• 4f 電子を局在的とみなして、FLAPW-LDA+U 法を用いた第一原理バンド構造計算を実施した。
• 球形フェルミ面を仮定して、dHvA 周波数および振幅から有効質量を推定した。
• 比熱、磁化率、中性子散乱データと照合することで、重い fermion および四極子秩序状態との整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PrOs₄Sb₁₂ のフェルミ面トポロジーは何か？ また、非磁性参照化合物 LaOs₄Sb₁₂ と比べてどう異なるか？
• RQ2 フェルミ面構造からみて、PrOs₄Sb₁₂ の 4f 電子はどの程度局在的とされるか？
• RQ3 PrOs₄Sb₁₂ の準粒子のサイクロトロン有効質量は何か？ 一般的な Pr 基化合物と比較してどうか？
• RQ4 4f 電子が局在的であるにもかかわらず、なぜ PrOs₄Sb₁₂ は重い fermion 超伝導を示すのか？
• RQ5 非 Kramers二重項の結晶場状態が、観測された電子的性質にどのように影響しているか？

主な発見

• PrOs₄Sb₁₂ のフェルミ面トポロジーは、LaOs₄Sb₁₂ と類似しており、PrOs₄Sb₁₂ の 4f 電子が強く局在的であることを示している。
• dHvA 振動から三つの基本分岐（α、β、γ）が明らかになった。β および α は閉じたフェルミ面シートを示し、γ は多重に接続されたシートを示している。
• サイクロトロン有効質量は 2.4–7.6 m₀ の範囲で測定され、通常の Pr 基化合物と比較して顕著な増大が確認された。
• 有効質量増大は、比熱測定から推定された大きな Sommerfeld 係数と整合的であるが、未解明の乖離が依然として存在する。
• 有効質量増大は β 分岐で最も顕著であり、高周波成分 β′ では β に比べて 20% 高い有効質量を示した。
• PrRu₄Sb₁₂（非常に小さい質量増大とスレート状態を有する）と比較することで、非 Kramers二重項 CEF 基底状態および四極子相互作用が、PrOs₄Sb₁₂ の重い fermion 超伝導の鍵要因である可能性が示された。