[论文解读] Band dependent emergence of heavy quasiparticles in CeCoIn5

A. Koitzsch, T. K. Kim+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用 3

一句话总结

本研究在 T = 1.4 K 条件下利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接测量了重费米子超导体 CeCoIn5 中 f 电子的能带依赖性杂化。结果发现，最二维的能带（能带 133）与导带电子的杂化最弱，这一发现挑战了二维能带杂化最强的普遍假设，并与 de-Haas-van-Alphen 测量得到的有效质量增强结果达到半定量一致。

ABSTRACT

We investigate the low temperature (T $

研究动机与目标

• 阐明 CeCoIn5 中 f 电子杂化的能带依赖性，CeCoIn5 是接近量子临界点的典型重费米子超导体。
• 解决长期以来关于 f 电子与导带电子杂化是否在二维（2D）能带上最强，还是在费米能级附近的能带中均匀分布的模糊认识。
• 定量关联 ARPES 测得的电子结构与体性质（如有效质量增强和费米面拓扑）之间的关系。
• 检验简化多带周期性 Anderson 模型（PAM）描述在高分辨率、低温 ARPES 数据下的有效性。
• 探讨能带依赖性杂化对 115 型重费米子体系中非传统超导性与磁涨落相互作用的影响。

提出的方法

• 在 BESSY II 光束线使用 121 eV 的光子能量进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以实现 Ce 4f 态的共振增强。
• 在最低达 1.4 K 的温度下对高质量 CeCoIn5 单晶进行原位解理，以进入相干的重费米子准粒子态。
• 能量分辨率保持在 ΔE = 22 meV，能够精确测定能带色散关系和杂化能隙。
• 采用简化多带周期性 Anderson 模型（PAM）模拟观测到的谱学特征，并提取各能带的杂化参数（Vcf）。
• 通过比较模拟能带色散与未重整化的 LDA 能带，计算费米速度的重整化，从而提取有效质量增强因子（m*/m_b）。
• 通过与 de-Haas-van-Alphen（dHvA）测量结果交叉验证，确认费米面的体性质与质量增强因子的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CeCoIn5 中，f 电子与导带电子的杂化是否如非传统超导模型中常假设的那样，在二维能带上最强？
• RQ2 f 电子杂化程度在 CeCoIn5 的不同电子能带之间如何变化？其动量（k）和温度依赖性如何？
• RQ3 ARPES 测得的能带色散和杂化能隙与体敏感的 dHvA 测量结果在有效质量与费米面拓扑方面的一致性如何？
• RQ4 简化多带 PAM 描述能否定量再现 CeCoIn5 中观测到的低能电子结构与质量增强？
• RQ5 能带依赖性杂化在决定 115 型重费米子材料中非传统超导性、磁性与量子临界性之间相互作用中的作用是什么？

主要发现

• CeCoIn5 中最二维的能带（能带 133）表现出最弱的 f 电子杂化，其杂化矩阵元 Vcf ≈ 12.5 meV，与预期的 2D 杂化增强相反。
• 能带 135 的质量增强（m*/m_b ≈ 16.5 在 ΓM 处）显著大于能带 133，表明尽管其具有三维特性，杂化更强，尽管其杂化能隙低于 ARPES 的探测极限。
• ARPES 测得的能带 133 和 135 的费米面面积与 de-Haas-van-Alphen（dHvA）测量结果定量一致，证实了 ARPES 数据的体性质。
• 从 ARPES 模拟中提取的有效质量增强因子（例如，能带 133 在 MX 处 m*/m_b ≈ 14.7）与 dHvA 结果达到半定量一致，验证了基于模型提取 m* 的可靠性。
• 通过 ARPES 确认了低温下杂化能隙的打开，其中能带 133 展现出清晰的能隙结构，而能带 135 可能存在低于 22 meV 的能隙，因分辨率限制而未被探测到。
• 结果表明，二维能带上的较弱杂化可能增强二维磁涨落，从而可能有利于非传统超导性，并强调了需要引入 k_z 依赖性杂化模型。