[論文レビュー] Fermi Surface Properties, Metamgnetic Transition and Quantum Phase Transition of CeRu$_2$Si$_2$ and Its Alloys Probed by the dHvA Effect--Fermi Surface Studies on the Itinerant and Localized Dichotomy of $f$ Electron Nature

H. Aoki, Noriaki Kimura+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2014

Rare-earth and actinide compounds参考文献 200被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、デ・ハース＝ヴァン・アルフェン（dHvA）効果を用いて、CeRu₂Si₂およびその合金におけるフェルミ面の性質、メタ磁性転移、および量子相転移を調査した。その結果、メタ磁性転移を超えてf電子状態が純粋に拡散的または局在的であると記述できないことが明らかになり、従来の分類に疑問を呈し、強相関系におけるf電子の二重性を強調した。

ABSTRACT

This article describes the Fermi surface properties of CeRu$_2$Si$_2$ and its alloy systems CeRu$_2$(Si$_x$Ge$_{1-x}$)$_2$ and Ce$_x$La$_{1-x}$Ru$_2$Si$_2$ studied by the de Haas - van Alphen (dHvA) effect. We pay particular attention to how the Fermi surface properties and the f electron state change with magnetic properties, in particular how they change associated with metamagnetic transition and quantum phase transition. After summarizing the important physical properties of CeRu$_2$Si$_2$, we present the magnetic phase diagrams of CeRu$_2$(Si$_x$Ge$_{1-x}$)$_2$ and Ce$_x$La$_{1-x}$Ru$_2$Si$_2$ as a function of temperature, magnetic field and concentration $x$. From the characteristic features of the magnetic phase diagram, we argue that the ferromagnetic interaction in addition to the anitferromagnetic interaction and the Kondo effect is responsible for the magnetic properties and that the metamagnetic transitions in these systems are relevant to the ferromagnetic interaction. We summarize the Fermi surface properties of CeRu$_2$Si$_2$ in fields below the metamagnetic transition where the f electron state is now well understood theoretically as well as experimentally. We present experimental results in fields above the metamagnetic transitions in CeRu$_2$(Si$_x$Ge$_{1-x}$)$_2$ and Ce$_x$La$_{1-x}$Ru$_2$Si$_2$ as well as CeRu$_2$Si$_2$ to show that the Fermi surface properties above the metamagnetic transitions are significantly different from those below in many important aspects. We argue that the Fermi surface properties above the metamagnetic transitions are not appropriately described in terms of either itinerant or localized f electron. The experimental results in fields below the metamagnetic transitions in CeRu$_2$(Si$_x$Ge$_{1-x}$)$_2$ and Ce$_x$La$_{1-x}$Ru$_2$Si$_2$ are presented to discuss the f electron state in the ground state. The Fermi surface properties of ...

研究の動機と目的

• CeRu₂Si₂およびその合金における磁気的相転移を経て、f電子状態の性質を明確化すること。
• メタ磁性転移および量子相転移を経る際のフェルミ面の性質の進化を調査すること。
• 重フェルミオン系におけるf電子が拡散的か局在的かという長年の論争を解明すること。
• Ceを含む化合物におけるメタ磁性転移を駆動する強磁性的相互作用の役割を検討すること。
• フェルミ面体積をf電子状態の分類基準として用いる妥当性を評価すること。

提案手法

• 磁場中の量子振動を測定するために、デ・ハース＝ヴァン・アルフェン（dHvA）効果を用いた。
• 温度、磁場、濃度xの関数として、CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂およびCeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂の磁気相図をマッピングした。
• dHvA振動の位相シフト解析を用いて、温度に伴う周波数変化を特定し、相対的周波数測定を高精度で行った。
• フーリエ解析を適用して、異なる磁場および温度におけるdHvA振動ピークの特定と追跡を実施した。
• 電子構造の変化を評価するため、dHvA結果と角度分解光電子分光（ARPES）データを相関させた。
• 信号振幅およびディングル温度の解析により、合金系における散乱および多体効果を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeRu₂Si₂およびその合金のフェルミ面の性質は、メタ磁性転移を越えてどのように変化するか？
• RQ2 メタ磁性転移を超えて、f電子状態はどの程度拡散的または局在的と分類できるか？
• RQ3 Ceを含む重フェルミオン系におけるメタ磁性転移を駆動する強磁性的相互作用の役割は何か？
• RQ4 CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂における量子相転移を経る際、フェルミ面体積および有効質量はどのように変化するか？
• RQ5 なぜf電子の性質は磁気状態で曖昧に見えるのか、そしてこれは拡散的／局在的二分法にどのように挑戦するのか？

主な発見

• CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂およびCeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂において、メタ磁性転移を超えてフェルミ面の性質が顕著に変化しており、電子状態の根本的変化を示唆している。
• メタ磁性転移を超えてf電子状態は、一貫して拡散的または局在的と記述できないため、ハイブリッド的または二重的性質を示していると考えられる。
• メタ磁性転移以下の順磁的基底状態では、f電子状態は拡散的とよく記述され、ルッティンガーの定理に一致する大きなフェルミ面体積を示している。
• dHvA振動から導かれた有効質量およびディングル温度は、Kondoスクリーニングおよび電子相関効果を含む強い多体効果を示している。
• 順磁的相と反強磁性相の間の量子相転移において、f電子の性質に顕著な変化は観察されず、ARPESおよびdHvAデータによって確認された。
• dHvA振動の位相シフト解析により、基本周波数と第2高調波周波数の間で優れた一致が得られ、周波数変化測定の正確性が裏付けられた。