[论文解读] New theory of the gamma-alpha phase transition in Ce: quadrupolar ordering

А. В. Николаев, K. H. Michel|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2000

Rare-earth and actinide compounds被引用 9

一句话总结

本文提出了一种关于铈的同结构γ-α相变的新理论，将其归因于4f电子与导带电子的四极序。通过使用导带电子的紧束缚模型，并包含其对4f四极矩的极化屏蔽效应，该理论解释了观测到的晶格收缩，并预测α相具有Pa̅3对称性。引入导带电子显著增强了体积变化，解决了先前模型中的一个关键矛盾。

ABSTRACT

We present a theoretical model of the "isostructural" γ-αphase transition in Ce which is based on quadrupolar interactions due to coupled charge density fluctuations of 4f electrons and of conduction electrons. Conduction electrons are treated in tight-binding approximation. The γ-αtransition is described as an orientational ordering of quadrupolar electronic densities in a Pa3 structure. The quadrupolar order of the conduction electron densities is complementary to the quadrupolar order of 4f electron densities. The inclusion of conduction electrons leads to an increase of the lattice contraction at the γ-αtransition in comparison to the sole effect of 4f electrons. We calculate the Bragg scattering law and suggest synchrotron radiation experiments in order to check the Pa3 structure. The theory is capable of accounting for transitions to phases of non-cubic symmetry, but it is not sufficient to describe the magnetic phenomena which we ascribe to the Kondo mechanism. We also present a microscopic derivation of multipolar interactions and discuss the crystal field of γ-Ce.

研究动机与目标

• 为解决铈的同结构γ-α相变这一长期存在的谜题，该相变虽无对称性变化但伴随显著的体积收缩。
• 在Kondo体积塌缩模型无法解释非立方相且与近期光电子能谱数据矛盾的背景下，阐明该相变的起源。
• 将导带电子的四极序作为4f电子序的补充机制，以改善与实验晶格收缩的符合度。
• 由于4f与导带电子四极密度的取向序，预测α相具有Pa̅3结构。
• 对晶体场中多极相互作用进行微观推导，并评估其在γ-Ce中的作用。

提出的方法

• 通过引入径向依赖的4f电子密度以改进四极相互作用，但发现这反而降低了与实验的符合度。
• 采用紧束缚近似描述(6s5d)³能带中的导带电子，从而能够处理局域与非局域的多极相互作用。
• 通过二次量子化和Wigner-Eckart定理，推导导带电子之间以及导带与4f电子之间的多极相互作用。
• 计算静态格林函数及四极密度的热期望值，以确定序参量。
• 应用对称性分析，表明α相中的四极序导致Pa̅3空间群，同时保持原子中心的面心立方（fcc）晶格结构。
• 利用布喇格散射定律，建议通过同步辐射实验进行实验验证，特别是用于探测α相中的Pa̅3序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无对称性变化的前提下，是什么驱动了铈的同结构γ-α相变？
• RQ2 如何在Kondo体积塌缩模型之外，对γ-α相变中的晶格收缩进行定量解释？
• RQ3 导带电子的四极序是否可作为4f电子序的补充机制，以稳定具有Pa̅3对称性的α相？
• RQ4 Kondo机制为何无法解释铈中非立方相的存在？有哪些可行的替代机制？
• RQ5 导带电子极化在屏蔽4f四极相互作用及增强体积变化中起什么作用？

主要发现

• 引入导带电子四极序后，γ-α相变的预测体积收缩量提高了约一个数量级，与实验结果更加吻合。
• 研究表明，由于4f与导带电子四极密度的取向序，α相具有Pa̅3结构，同时保持了原子中心的面心立方（fcc）晶格。
• 该理论预测了P-T相图中γ-α相变的临界端点，而此前的模型中缺失这一特征。
• 4f电子密度的径向依赖性反而降低了与实验的符合度，表明该体系中更简单的模型更为有效。
• 推导出布喇格散射定律，为同步辐射实验中探测α相中的Pa̅3对称性提供了可检验的预测。
• 从微观角度推导出导带电子之间以及导带与4f电子之间的多极相互作用，支持电子关联在相变中的作用。