[논문 리뷰] ESR of YbRh2Si2 and 174YbRh2Si2 : local and itinerant properties

J. Wykhoff, J. Sichelschmidt외 8명|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 24.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 중성자 수소화합물 YbRh2Si2에서 비정상적인 전자 스핀 공명(ESR)의 기원을 조사하며, YPd3:Yb에서 잘 국소화된 Yb3+ 이온의 ESR 강도와 비교한다. ESR 신호는 거의 모든 Yb 이온에 기인함을 발견하여, 초순수 효과를 배제하고 강하게 결합된 Yb3+–도체 전자 시스템에서 이동성과 유사한 거동를 나타내며, 미세한 선형형태의 편차는 표준 모델을 초월한 복잡한 스핀 동역학을 암시한다.

ABSTRACT

Below the Kondo temperature the heavy Fermion compound YbRh$_{2}$Si$_{2}$ shows a well defined Electron Spin Resonance (ESR) with local Yb$^{3+}$ properties. We report a detailed analysis of the ESR intensity which gives information on the number of ESR active centers relative to the ESR of well localized Yb$^{3+}$ in YPd$_3$:Yb. The ESR lineshape is investigated regarding contributions from itinerant centers. From the ESR of monoisotopic $^{174}$YbRh$_{2}$Si$_{2}$ we could exclude unresolved hyperfine contributions to the lineshape.

연구 동기 및 목표

• YbRh2Si2의 ESR 신호가 국소화된 Yb3+ 모멘트에서 기인하는지 아니면 이동 전자에서 기인하는지 확인하기.
• ESR 강도를 잘 국소화된 Yb3+ 시스템(YPd3:Yb)과 비교하여 ESR 활성 Yb 이온의 수를 정량화하기.
• Yb 핵 스핀에서 기인하는 해소되지 않은 초순수 구조가 ESR 선형형태에 기여하는지 평가하기.
• 스핀 확산 및 이동성과 유사한 리아케이션 메커니즘의 역할이 ESR 신호 형상에 미치는 영향 평가하기.
• 강한 Kondo 걸러짐에도 불구하고 지속적인 ESR이 관측되는 이유를 이해하기.

제안 방법

• 0.69 K에서 300 K까지의 온도 범위에서 X밴드 ESR 스펙트럼을 락인 기법과 자기장 조절을 사용하여 YbRh2Si2 및 174YbRh2Si2를 측정하였다.
• 피부 효과 및 마이크로파 침투 깊이를 고려하여 금속성 로렌츠 선형형태를 사용하여 ESR 스펙트럼을 피팅하였다.
• 몰 부피 및 Yb 농도를 기반으로 강도 정규화를 수행하여 다양한 샘플 간의 ESR 반응을 비교하였다.
• Dyson의 스핀 확산 이론을 적용하여 이동 전자 특성의 ESR 선형형태를 모델링하고 스핀 확산 시간을 평가하였다.
• 자연 유도비 YbRh2Si2(혼합 이소토프)와 단일 이소토프 174YbRh2Si2(I=0)의 ESR 선형형태를 비교하여 해소되지 않은 초순수 분할을 배제하였다.
• 선폭 데이터의 스케일링(ΔB* = (ΔB − ΔB₀)/ΔB₀)을 사용하여 YbRh2Si2 및 La 도핑된 유사체에서의 유니버설 리아케이션 행동을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YbRh2Si2에서 얼마나 많은 Yb 이온이 ESR 활성이며, 잘 국소화된 Yb3+ 시스템과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ2 YbRh2Si2의 ESR 선형형태는 Yb 핵 스핀에서 기인하는 해소되지 않은 초순수 구조의 징후를 보이는가?
• RQ3 ESR 선형형태는 이동 전자 특성의 전형적인 스핀 확산 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 YbRh2Si2는 강한 Kondo 걸러짐에도 불구하고 Kondo 온도 이하에서 잘 정의된 ESR 신호를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 강하게 결합된 Yb3+–도체 전자 시스템의 스핀 동역학의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• Yb 농도에 따라 정규화한 결과 YbRh2Si2의 ESR 강도는 잘 국소화된 Yb3+ 시스템과 유사하여 거의 모든 Yb 이온이 ESR 활성임을 시사한다.
• ESR 신호 강도는 부피 스핀 자화율에 비례함을 확인하여 모든 Yb 이온이 ESR 반응에 관여하고 있음을 지지한다.
• 자연 유도비 YbRh2Si2와 174YbRh2Si2 샘플 간의 동일한 선형형태 스케일링을 통해 해소되지 않은 초순수 분할이 관측되지 않았다.
• 선폭 스케일링(ΔB*)은 다양한 YbRh2Si2 샘플 간에 유니버설 곡선으로 수렴하여 잔류 전기저항에 의해 지배되는 동일한 리아케이션 메커니즘이 있음을 나타낸다.
• 스핀 확산을 고려한 후에도 ESR 선형형태의 꼬리 부분에서 체계적인 편차가 관측되어 표준 이동 전자 모델을 초월한 비정상적인 스핀 동역학을 암시한다.
• 유한한 스핀 확산 시간으로는 관측된 선형형태를 설명할 수 없으며, 이는 시스템이 무한한 스핀 확산 한계 상태에 있으며 금속성 로렌츠 선형형태와 일치함을 시사하지만, 잔류 편차는 강한 결합 효과를 나타낸다.