[论文解读] 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 Kimura+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2014

Rare-earth and actinide compounds参考文献 200被引用 9

一句话总结

本研究通过德哈斯-范阿尔芬（dHvA）效应，探究了CeRu₂Si₂及其合金中的费米面特性、亚铁磁转变及量子相变。研究发现，在亚铁磁转变之上，f电子态无法被单纯描述为巡游或定域态，挑战了传统分类方法，凸显了强关联体系中f电子的双重特性。

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 ...

研究动机与目标

• 阐明CeRu₂Si₂及其合金在磁相变过程中f电子态的本质。
• 研究费米面特性在亚铁磁相变与量子相变中的演化行为。
• 解决长期以来关于重费米子系统中f电子是巡游还是定域的争议。
• 考察铁磁相互作用在Ce基化合物中驱动亚铁磁相变的作用。
• 评估以费米面体积作为f电子态分类标准的有效性。

提出的方法

• 采用德哈斯-范阿尔芬（dHvA）效应测量磁场中的量子振荡。
• 绘制CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂与CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂的磁相图，作为温度、磁场和浓度x的函数。
• 通过dHvA振荡的相位移分析，测定频率随温度的变化，实现精确的相对频率测量。
• 应用傅里叶分析，识别并追踪不同磁场与温度下的dHvA振荡峰。
• 将dHvA结果与角分辨光电子能谱（ARPES）数据相关联，评估电子结构的变化。
• 分析信号振幅与丁格尔温度，推断合金体系中的散射与多体效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeRu₂Si₂及其合金在亚铁磁相变过程中，费米面特性如何变化？
• RQ2 在亚铁磁相变之上，f电子态在多大程度上可被归类为巡游或定域态？
• RQ3 铁磁相互作用在Ce基重费米子系统中驱动亚铁磁相变的机制是什么？
• RQ4 在CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂中，费米面体积与有效质量如何在量子相变过程中演化？
• RQ5 为何f电子特性在磁态中表现模糊，这如何挑战巡游/定域态二分法？

主要发现

• 在CeRu₂(SiₓGe₁₋ₓ)₂与CeₓLa₁₋ₓRu₂Si₂中，亚铁磁相变之上的费米面特性与相变之下显著不同，表明电子态发生根本性改变。
• 在亚铁磁相变之上，f电子态无法被一致地描述为巡游或定域态，提示其具有混合或双重特性。
• 在亚铁磁相变之下的顺磁基态中，f电子态可良好地描述为巡游态，其大费米面体积与卢廷格定理一致。
• 由dHvA振荡得出的有效质量与丁格尔温度表明存在强烈的多体效应，包括Kondo屏蔽与电子关联。
• 在顺磁与反铁磁相之间的量子相变中，未观察到f电子本质的显著变化，ARPES与dHvA数据均证实了这一点。
• dHvA振荡的相位移分析显示，基频与二次谐频之间具有极佳的一致性，验证了频率变化测量的准确性。