[論文レビュー] Symmetry and correlations underlying Hidden Order in URu2Si2

Nicholas P. Butch, Michael E. Manley+7 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Dec 26, 2012

Rare-earth and actinide compounds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱およびX線散乱を用いてURu2Si2における隠れた秩序（HO）相の研究が行われ、HO相が高温の順磁性相と同一の体心正方対称性を保つことが明らかになった。HOの出現にもかかわらず、空間対称性の低下は観察されず、磁気励起状態はフェルミ表面に従うため、従来の密度波または局所的秩序モデルとは整合しない非局所的で対称性を保つ秩序パラメータであることが示された。

ABSTRACT

We experimentally investigate the symmetry in the Hidden Order (HO) phase of intermetallic URu2Si2 by mapping the lattice and magnetic excitations via inelastic neutron and x-ray scattering measurements in the HO and high-temperature paramagnetic phases. At all temperatures the excitations respect the zone edges of the body-centered tetragonal paramagnetic phase, showing no signs of reduced spatial symmetry, even in the HO phase. The magnetic excitations originate from transitions between hybridized bands and track the Fermi surface, whose feature are corroborated by the phonon measurements. Due to a large hybridization energy scale, a full uranium moment persists in the HO phase, consistent with a lack of observed crystal-field-split states. Our results are inconsistent with local order parameter models and the behavior of typical density waves. We suggest that an order parameter that does not break spatial symmetry would naturally explain these characteristics.

研究の動機と目的

• 理論的モデルが予測するように、URu2Si2の隠れた秩序（HO）相が空間対称性を破るかどうかを特定すること。
• HO相における低エネルギー励起状態の起源を特定し、磁気的性質と格子振動（フォノン）的性質を区別すること。
• 電子相関および混合化がHO相の安定化に果たす役割を解明すること。
• 観測された励起状態が、従来の密度波または局所的秩序パラメータモデルと整合するかどうかを検証すること。
• 隠れた秩序相において全ウラン磁気モーメントが維持されているかどうかを確認し、結晶場分裂が生じていないことを示すこと。

提案手法

• 非弾性中性子散乱（INS）を用いて、高温の順磁性相および隠れた秩序相における格子振動と磁気励起状態をマッピングした。
• 非弾性X線散乱（IXS）を用いて、フォノンおよび電子励起状態の補足的データを取得し、高い動量分解能を得た。
• ブリユアンゾーン全体にわたる測定を実施し、対称性の破れを評価した。特にゾーン端部の特徴に注目した。
• 磁気励起状態の分散を用いてフェルミ表面の再構築を調査し、バンド構造の計算結果と比較した。
• 磁気励起状態のエネルギーから、ウラン5f軌道とリガンド状態との間の混合エネルギー尺度を推定した。
• フォノンおよび磁気モードの理論的予測と観測モードを比較することで、従来は軟らかく分類されていたモードが実際には磁気的性質を示すことが特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 URu2Si2の隠れた秩序相は、体心正方晶格構造の空間対称性を破るのか？
• RQ2 HO相における低エネルギー励起状態は磁気的性質を示すのか、それとも以前に提唱されたようにフォノン的性質を示すのか？
• RQ3 隠れた秩序相において全ウラン磁気モーメントが維持されているか。これは結晶場分裂が生じていないことを示唆する。
• RQ4 観測された磁気励起状態がフェルミ表面に従うか。これは一貫性のある電子的起源を示唆する。
• RQ5 観測データは、従来の密度波または局所的秩序パラメータモデルで説明可能か？

主な発見

• 高温の順磁性相および隠れた秩序相の両方において、格子振動と磁気励起状態が、空間対称性が低下しない完全な体心正方対称性を保っている。
• 従来は軟らかく分類されていた低エネルギーモードは、実際にはハイブリダイゼーションされたバンド間遷移に起因する磁気的性質を示すことが判明した。
• 磁気励起状態はフェルミ表面に従うため、一貫性のある電子的起源と強い電子構造への結合が確認された。
• 大きな混合エネルギー尺度（約100 meV）が推定され、全ウラン5fモーメントが維持されており、結晶場分裂状態が存在しないことと整合的である。
• 結果は、空間対称性を破るローカル秩序パラメータモデルや従来の密度波シナリオとは整合しない。
• データは、空間対称性を破らない秩序パラメータを支持しており、非局所的で新しいタイプの電子秩序を示唆している。