[論文レビュー] Superconductivity, Kondo physics and magnetic order: Tuning the groundstate in the La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH solid solution through the interplay between $3d$ and $4f$ correlated electrons

J. Sourd, B. Vignolle+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2026

Rare-earth and actinide compounds被引用数 0

ひとこと要約

Ce含有量の変化によって La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH の基底状態が超伝導、単一イオン Kondo 挙動、Kondo コヒーレンス、磁気秩序へと遷移する様子を示し、Ce 内容と温度スケールによって制御される基底状態の進化を明らかにする。

ABSTRACT

We report a study of the La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH solid solution ($0 \leq x \leq 1$), a family of intermetallic hydrides of ZrCuSiAs-type structure, with space group $P4/nmm$. For low cerium concentrations $x \leq 0.20$, we observe the presence of superconductivity, which originates from the correlated $3d$ electrons of iron. The superconducting regime is progressively suppressed by the cerium substitution. For moderate cerium concentration $0.07 \leq x \leq 0.50$, we observe evidence of the single-ion Kondo effect and no magnetic phase transition down to 2 K. For $0.07 \leq x \leq 0.20$, the single-ion Kondo effect coexists with a superconducting ground state at low temperatures. From $x > 0.50$, we observe signatures of Kondo coherence and a heavy Fermi liquid regime at low temperature. Finally, at high cerium concentration $x \geq 0.85$, we observe signatures of magnetic ordering at low temperatures. We discuss our results by introducing temperature scales related to superconductivity, the Kondo effect, and magnetic order, which permits building a rich phase diagram temperature versus cerium content $x$. This shows that using the cerium concentration $x$ as a unique control parameter, we can explore the Kondo entanglement between correlated $3d$ and $4f$ electrons, which suggests an unusual change between the superconducting state related to the $3d$ electrons and the Kondo coherent state involving both $3d$ and $4f$ electrons.

研究の動機と目的

• La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH（0 ≤ x ≤ 1）における Ce置換が基底状態特性をどのように調律するかを理解する。
• 競合する領域を特徴づける：超伝導（SC）、Kondo 不コヒーレンス、Kondo コヒーレンス、磁気秩序。
• 各領域に対応する温度スケールを確立し、温度–x 相図を構築する。
• この ZrCuSiAs 型水素化物ファミリーにおける相関鉄 3d 電子とセリウム 4f 電子の相互作用を解明する。

提案手法

• アーク溶融とアニーリングにより La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH 試料を多結晶として合成し、真空下での水素挿入を行う。
• X 線回折と Rietveld 精密化により結晶構造を特徴付け、P4/nmm 構造を確認する。
• 温度および磁場が関係する場合には、電気抵抗、磁化、比熱、熱電力を測定する。
• 超伝導の特徴的温度（T$_{\rho}^{c}$、T$_{\chi}^{c}$）、不コヒーレント Kondo の温度（T$_{\rho}^{min}$）、Kondo コヒーレンスの温度（T$_{\rho}^{max}$）、磁気異常（T$_{\chi}^{m}$、T$_{Cp}^{m}$）を抽出する。
• 相図を解析して SC、Kondo 不コヒーレント、Kondo コヒーレント、磁性秩序領域を示す温度–x 相図を構築する。

Figure 1: (a) Selected interatomic distances in LaFeSiH and CeFeSiH (in Å ). (b) Evolution of lattice parameters in La 1-x Ce x FeSiH solid solution at room temperature with respect to cerium concentration.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ce置換 x は La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH における超伝導の有無と強さをどのように変調するのか？
• RQ2 この 3d–4f 系におけるKondo 不コヒーレンスとKondo コヒーレンスの署名と温度スケールは何か？
• RQ3 Ce 含有量は磁性秩序現象の出現とどのように関連し、Kondo スクリーンと超伝導とどう関係するのか？
• RQ4 3d鉄系電子と 4f セリウム電子を絡み合わせ、領域間の競合を統一的な相図で結ぶことができるのか？

主な発見

x	T$_{\rho}^{c}$ (K)	T$_{\rho}^{min}$ (K)	T$_{\rho}^{max}$ (K)
0.00	9.3	-	-
0.07	8.1	15.3	-
0.10	7.4	17.1	-
0.15	5.4	20.1	-
0.20	5.4	24.3	-
0.35	-	23.5	2.25
0.50	-	26.5	2.25
0.65	-	25.5	2.7
0.85	-	22.5	2.85

• 低 Ce 含有量（x ≤ 0.20）では超伝導が観察されるが、x の増加とともに徐々に抑制される。
• 単一イオン Kondo 効果は 0.07 ≤ x ≤ 0.50 で現れ、T$_{\rho}^{min}$ 以下で抵抗の対数上昇を示す。
• 0.35 ≤ x ≤ 0.85 で低温における Kondo コヒーレンスが現れ、抵抗の最大値 T$_{\rho}^{max}$（約 2.25–2.85 K）で示される。
• 高 Ce 含有量（x ≥ 0.85）では比熱と磁化に磁気秩序の兆候が現れる。
• 0.07 < x < 0.20 で Kondo 効果と超伝導の共存が観察される。
• CeFeSiH（x ≈ 1）で磁性秩序基底状態が支配的で、x = 0.85 では低温磁気転移（T$_{\chi}^{m}$ ≈ 3.0–3.5 K）を示す。
• Ce 濃度 x は 3d 電子の超伝導と 4f 電子の重陰電子挙動を結ぶ唯一の制御パラメータとして機能し、SC から Kondo コヒーレントへ、さらに磁性秩序状態へと複雑に遷移する。

Figure 2: (a) Electrical resistance normalized at 300 K for the La 1-x Ce x FeSiH solid solution as a function of temperature. (b) Electrical resistance normalized at 50 K for La 0.15 Ce 0.85 FeSiH and CeFeSiH. The insets show the derivative of the electrical resistance. (c) Magnetoresistance of La