[论文解读] Fermi surface of the heavy fermion superconductor PrOs$_{4}$Sb$_{12}$

Hitoshi Sugawara, S. Osaki+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2002

Rare-earth and actinide compounds被引用 7

一句话总结

本研究利用德哈斯-范阿尔芬（dHvA）量子振荡测量，直接探测了镨基重费米子超导体PrOs₄Sb₁₂的费米面和回旋有效质量。结果表明，其费米面拓扑结构与非磁性参考化合物LaOs₄Sb₁₂极为相似，证实了Pr 4f电子的局域特性，同时显示出显著增强的回旋有效质量（2.4–7.6 m₀），确立了PrOs₄Sb₁₂作为首个被确认的镨基重费米子超导体。

ABSTRACT

We have investigated the de Haas-van Alphen effect in the Pr-based heavy fermion superconductor PrOs$_4$Sb$_{12}$.The topology of Fermi surface is close to the reference compound LaOs$_4$Sb$_{12}$ and well explained by the band structure calculation based on the FLAPW-LDA+U method, where the 4{\it f} electrons are localized. We have confirmed a highly enhanced cyclotron effective mass 2.4$\sim7.6m_{ m 0}$ which is apparently large compared to the usual Pr-based compounds.

研究动机与目标

• 确定镨基重费米子超导体PrOs₄Sb₁₂的电子结构和费米面拓扑结构。
• 通过德哈斯-范阿尔芬效应直接测量回旋有效质量，以确认质量增强效应。
• 将PrOs₄Sb₁₂的费米面与非磁性参考化合物LaOs₄Sb₁₂进行比较，评估局域4f电子的作用。
• 通过将电子结构与异常超导性质关联，探究PrOs₄Sb₁₂中重费米子超导性的起源。

提出的方法

• 在单晶PrOs₄Sb₁₂和LaOs₄Sb₁₂上进行德哈斯-范阿尔芬（dHvA）量子振荡测量，温度低至30 mK，磁场最高达17 T。
• 利用快速傅里叶变换（FFT）分析dHvA振荡，提取基本频率并识别不同的费米面分支（α、β、γ）。
• 测量dHvA频率的角依赖性，以绘制费米面拓扑结构并确认其立方对称性。
• 采用FLAPW-LDA+U方法进行第一性原理能带结构计算，将4f电子视为局域电子。
• 基于dHvA频率和振幅估算有效质量，假设费米面为球形。
• 将结果与比热、磁化率和中子散射数据进行比较，评估其与重费米子及四极序行为的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PrOs₄Sb₁₂的费米面拓扑结构如何？与非磁性参考化合物LaOs₄Sb₁₂相比有何异同？
• RQ2 从费米面结构来看，PrOs₄Sb₁₂中的4f电子在多大程度上是局域的？
• RQ3 PrOs₄Sb₁₂中准粒子的回旋有效质量是多少？与典型镨基化合物中的值相比如何？
• RQ4 尽管4f电子具有局域特性，为何PrOs₄Sb₁₂仍表现出重费米子超导性？
• RQ5 非克莱默双态晶体电场基态如何影响观测到的电子性质？

主要发现

• PrOs₄Sb₁₂的费米面拓扑结构与LaOs₄Sb₁₂极为相似，表明PrOs₄Sb₁₂中的4f电子高度局域。
• dHvA振荡揭示了三个基本分支（α、β、γ），其中β和α分支显示闭合费米面片，γ分支则表明存在多重连通的费米面片。
• 测得的回旋有效质量范围为2.4–7.6 m₀，相较于典型镨基化合物显著增强。
• 有效质量增强与比热测量得到的较大索莫菲系数一致，但尚存在未解释的差异。
• 质量增强效应在β分支最为显著，其中高频分量β′的有效质量比β高出约20%。
• 与具有更小质量增强和单重态基态的PrRu₄Sb₁₂相比，表明非克莱默双态CEF基态及四极相互作用是PrOs₄Sb₁₂中重费米子超导性的关键因素。