[論文レビュー] New theory of the gamma-alpha phase transition in Ce: quadrupolar ordering

А. В. Николаев, K. H. Michel|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2000

Rare-earth and actinide compounds被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、セリウムにおける等構造的γ-α相転移のための新しい理論を提案し、4f電子および伝導電子の四極子秩序がその原因であると主張する。伝導電子をタイトバインディングモデルで記述し、4f四極子のスクリーニングを考慮した理論により、観測された格子収縮が説明され、α相におけるPa̅3対称性が予測される。伝導電子の取り入れにより体積変化が強化され、従来のモデルでは解決できなかった主要な不一致が解消される。

ABSTRACT

We present a theoretical model of the "isostructural" γ-αphase transition in Ce which is based on quadrupolar interactions due to coupled charge density fluctuations of 4f electrons and of conduction electrons. Conduction electrons are treated in tight-binding approximation. The γ-αtransition is described as an orientational ordering of quadrupolar electronic densities in a Pa3 structure. The quadrupolar order of the conduction electron densities is complementary to the quadrupolar order of 4f electron densities. The inclusion of conduction electrons leads to an increase of the lattice contraction at the γ-αtransition in comparison to the sole effect of 4f electrons. We calculate the Bragg scattering law and suggest synchrotron radiation experiments in order to check the Pa3 structure. The theory is capable of accounting for transitions to phases of non-cubic symmetry, but it is not sufficient to describe the magnetic phenomena which we ascribe to the Kondo mechanism. We also present a microscopic derivation of multipolar interactions and discuss the crystal field of γ-Ce.

研究の動機と目的

• 等構造的γ-α相転移の長年の謎を解明すること。この相転移は対称性の変化を伴わないが、顕著な体積収縮を伴う。
• Kondo体積収縮モデルでは説明できない非立方晶相の存在や、最近の光電子分光データと矛盾する点を説明するため、Kondoモデルを超える相転移の起源を解明すること。
• 4f電子の秩序とは別個のメカニズムとして、伝導電子の四極子秩序を組み込み、実験的格子収縮との整合性を高めること。
• 4fおよび伝導電子の両方の四極子密度の配向秩序によって、α相にPa̅3構造が生じることを予測すること。
• 多極子相互作用の微視的導出を行い、γ-Ceにおける結晶場の役割を評価すること。

提案手法

• 四極子相互作用を精緻化するため、4f電子の径方向依存密度をモデル化したが、実験との一致が悪化することが判明した。
• 伝導電子を(6s5d)³バンドとしてタイトバインディング近似で記述し、局所的および非局所的多極子相互作用を取り扱えるようにした。
• 2次量子化およびWigner-Eckart定理を用いて、伝導電子間および伝導電子と4f電子間の多極子相互作用を導出した。
• 四極子密度の静的グリーン関数および熱的期待値を計算し、秩序パラメータを決定した。
• 対称性解析を適用し、α相における四極子秩序がPa̅3空間群を生じることを示した。これは原子中心のfcc格子を保存する。
• ブラッグ散乱則を用いて、特にPa̅3秩序の検出に適したシンクロトロン放射線実験による実験的検証の可能性を示唆した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性の変化がないにもかかわらず、セリウムにおける等構造的γ-α相転移を引き起こす要因は何か？
• RQ2 Kondo体積収縮モデルを超えて、γ-α相転移における顕著な格子収縮を定量的に説明するにはどうすればよいか？
• RQ3 伝導電子の四極子秩序が、4f電子の秩序と補完的に作用して、Pa̅3対称性を持つα相を安定化させ得るか？
• RQ4 Kondo機構がなぜセリウムにおける非立方晶相の存在を説明できないのか。代替的なメカニズムとして有効なものは何か？
• RQ5 伝導電子の極化が4f四極子相互作用をスクリーニングし、体積変化を強化する役割を果たす理由は何か？

主な発見

• 伝導電子の四極子秩序を組み込むことで、γ-α相転移における予測される格子収縮が1桁大きくなり、実験結果とより良好に一致するようになった。
• 4fおよび伝導電子の両方の四極子密度の配向秩序により、α相がPa̅3構造を有することが示され、原子中心のfcc格子が保存された。
• 本理論は、P-T相図におけるγ-α相転移の臨界終点を予測しており、従来のモデルに欠けていた。
• 4f電子密度の径方向依存性は、実験との一致を悪化させるため、本系では単純なモデルがより効果的であることが示された。
• ブラッグ散乱則が導出され、Pa̅3対称性の検出を目的としたシンクロトロン放射線実験における検証可能性が示された。
• 伝導電子同士および伝導電子と4f電子の間の多極子相互作用が微視的に導出され、電子相関の役割が裏付けられた。