[论文解读] ESR of YbRh2Si2 and 174YbRh2Si2 : local and itinerant properties

J. Wykhoff, J. Sichelschmidt+8 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2007

Rare-earth and actinide compounds被引用 11

一句话总结

本研究探究重费米子化合物 YbRh2Si2 中异常电子自旋共振（ESR）的起源，将其 ESR 强度与 YPd3:Yb 中局域化良好的 Yb3+ 离子的 ESR 强度进行比较。结果表明，ESR 信号涉及几乎所有 Yb 离子，排除了超精细贡献的可能性，暗示 Yb3+–导带电子系统具有强耦合且表现出巡游电子特性，尽管细微的线型偏离表明其自旋动力学远超标准模型的复杂性。

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.

研究动机与目标

• 确定 YbRh2Si2 中的 ESR 信号是否源于局域化的 Yb3+ 自旋矩或巡游导带电子。
• 通过与局域化良好的 Yb3+ 系统（YPd3:Yb）的 ESR 强度比较，量化 YbRh2Si2 中 ESR 活性 Yb 离子的数量。
• 评估 Yb 核自旋引起的未分辨超精细结构是否对 ESR 线型产生影响。
• 评估自旋扩散与巡游电子典型弛豫机制在塑造 ESR 信号中的作用。
• 理解在强 Kondo 屏蔽下仍能观测到持久 ESR 信号的原因，尽管其低于 Kondo 温度。

提出的方法

• 在 0.69 K 至 300 K 的温度范围内，使用锁相技术与磁场调制测量 YbRh2Si2 和 174YbRh2Si2 的 X 波段 ESR 光谱。
• 采用金属 Lorentzian 线型拟合 ESR 光谱，考虑趋肤效应与微波穿透深度的影响。
• 基于摩尔体积与 Yb 浓度对强度进行归一化，以实现不同样品间 ESR 响应的比较。
• 应用 Dyson 的自旋扩散理论建模巡游 ESR 线型，并评估自旋扩散时间。
• 通过比较天然同位素丰度 YbRh2Si2（混合同位素）与单同位素 174YbRh2Si2（I=0）的 ESR 线型，排除未分辨超精细分裂的可能性。
• 利用 linewidth 数据的归一化处理（ΔB* = (ΔB − ΔB₀)/ΔB₀）检验 YbRh2Si2 及 La 掺杂变体中是否存在普遍的弛豫行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 YbRh2Si2 中有多少比例的 Yb 离子是 ESR 活性的？与局域化良好的 Yb3+ 系统相比如何？
• RQ2 YbRh2Si2 的 ESR 线型是否表现出 Yb 核自旋引起的未分辨超精细结构的特征？
• RQ3 ESR 线型是否能用巡游电子典型的自旋扩散机制解释？
• RQ4 为何 YbRh2Si2 在低于 Kondo 温度时仍表现出清晰的 ESR 信号，与 Kondo 屏蔽预期相悖？
• RQ5 强耦合 Yb3+–导带电子系统中的自旋动力学本质为何？

主要发现

• 在按 Yb 含量归一化后，YbRh2Si2 中的 ESR 强度与局域化良好的 Yb3+ 系统相当，表明几乎所有 Yb 离子均为 ESR 活性。
• ESR 信号强度与体积累积自旋磁化率成正比，支持所有 Yb 离子均参与 ESR 响应。
• 通过天然同位素与 174YbRh2Si2 样品线型缩放一致，未检测到 YbRh2Si2 ESR 线型中存在未分辨超精细结构。
• linewidth 缩放（ΔB*）在不同 YbRh2Si2 样品间收敛至同一通用曲线，表明存在由剩余电阻率主导的共同弛豫机制。
• 即使在考虑自旋扩散后，YbRh2Si2 的 ESR 线型在尾部仍系统性偏离金属 Lorentzian 拟合，表明存在超越标准巡游模型的非平凡自旋动力学。
• 观测到的线型无法用有限自旋扩散时间解释，意味着系统处于无限自旋扩散极限，与金属 Lorentzian 行为一致，但残留偏离表明存在强耦合效应。