[논문 리뷰] 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 Kimura외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 11.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 200인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 페르미 표면 성질, 마그네틱 전이, 양자 상전이를 CeRu₂Si₂ 및 그 합금에서 de Haas–van Alphen (dHvA) 효과를 이용해 조사한다. 연구 결과, 마그네틱 전이 이후 f-전자 상태는 순수하게 이동성 또는 국소화된 상태로 기술될 수 없으며, 이는 전통적인 분류 체계에 도전하고 강한 상관관계를 가지는 시스템에서 f-전자들이 이중 성질을 띠고 있음을 시사한다.

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 ...

연구 동기 및 목표

• CeRu₂Si₂ 및 그 합금에서 자성 상전이를 거쳐 f-전자 상태의 성격을 명확히 하기.
• 마그네틱 전이와 양자 상전이를 거쳐 페르미 표면 성질이 어떻게 변화하는지 조사하기.
• 중성자성 전자 시스템에서 f-전자들이 이동성인지 국소화된 상태인지 여부에 대한 오랫동안 지속된 논쟁을 해결하기.
• 철성 상호작용이 Ce 기반 화합물에서 마그네틱 전이를 유도하는 데 수행하는 역할을 조사하기.
• 페르미 표면 부피를 f-전자 상태 분류 기준으로 사용하는 타당성을 평가하기.

제안 방법

• 자기장에서의 양자 진동을 측정하기 위해 de Haas–van Alphen (dHvA) 효과를 적용하였다.
• 온도, 자기장, 농도 x에 대한 CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂ 및 CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂의 자성 상도도를 그렸다.
• dHvA 진동의 위상 이동 분석을 통해 온도에 따른 주파수 변화를 결정하여 정확한 상대 주파수 측정이 가능하도록 하였다.
• 다양한 자기장과 온도에서 dHvA 진동 피크를 식별하고 추적하기 위해 푸리에 분석을 적용하였다.
• 전자 구조 변화 평가를 위해 dHvA 결과와 각도에 의존하는 광전자 방출 분광법(ARPES) 데이터를 연계하였다.
• 합금계에서의 산란 및 many-body 효과를 추론하기 위해 신호 진폭과 Dingle 온도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeRu₂Si₂ 및 그 합금의 페르미 표면 성질은 마그네틱 전이를 거쳐 어떻게 변화하는가?
• RQ2 마그네틱 전이 이후 f-전자 상태는 어느 정도 이동성 또는 국소화된 상태로 분류될 수 있는가?
• RQ3 Ce 기반 중성자성 전자 시스템에서 마그네틱 전이를 유도하는 철성 상호작용의 역할은 무엇인가?
• RQ4 CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂에서 양자 상전이를 거쳐 페르미 표면 부피와 효과적 질량은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 왜 f-전자 특성은 자성 상태에서 모호하게 나타나며, 이는 이동성/국소화 이분법에 어떤 도전을 가하는가?

주요 결과

• CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂ 및 CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂에서 마그네틱 전이 이후의 페르미 표면 성질은 전이 이전과 현저히 다르며, 이는 전자 상태에 근본적인 변화가 있음을 시사한다.
• 마그네틱 전이 이후 f-전자 상태는 이동성 또는 국소화된 상태로 일관되게 기술될 수 없으며, 이는 하이브리드 또는 이중 성질을 띠고 있음을 시사한다.
• 마그네틱 전이 이전의 무자기 상태에서는 f-전자 상태가 이동성으로 잘 기술되며, Luttinger 정리에 부합하는 큰 페르미 표면 부피를 가진다.
• dHvA 진동에서 유도된 효과적 질량과 Dingle 온도는 콘도 스크리닝과 전자 상관관계를 포함한 강한 many-body 효과를 시사한다.
• 무자기상과 반자기상 사이의 양자 상전이에서 f-전자 성질에 유의미한 변화가 관찰되지 않았으며, ARPES 및 dHvA 데이터로 확인되었다.
• dHvA 진동의 위상 이동 분석 결과, 기본 주파수와 제2 고조파 주파수 사이에 뛰어난 일치가 관찰되어 주파수 변화 측정의 정확성을 검증하였다.