[论文解读] Superconductivity, Kondo physics and magnetic order: Tuning the groundstate in the La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH solid solution through the interplay between $3d$ and $4f$ correlated electrons

J. Sourd, B. Vignolle+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2026

Rare-earth and actinide compounds被引用 0

一句话总结

该研究描绘了在 La1−xCe x FeSiH 中将 La 替换为 Ce 如何在超导性、单离子 Kondo 行为、Kondo 相干性与磁性顺序之间切换，并揭示受 Ce 含量控制的基态演化及多重温度尺度的引入。

ABSTRACT

We report a study of the La$_{1-x}$Ce$_x$FeSiH solid solution ($0 \leq x \leq 1$), a family of intermetallic hydrides of ZrCuSiAs-type structure, with space group $P4/nmm$. For low cerium concentrations $x \leq 0.20$, we observe the presence of superconductivity, which originates from the correlated $3d$ electrons of iron. The superconducting regime is progressively suppressed by the cerium substitution. For moderate cerium concentration $0.07 \leq x \leq 0.50$, we observe evidence of the single-ion Kondo effect and no magnetic phase transition down to 2 K. For $0.07 \leq x \leq 0.20$, the single-ion Kondo effect coexists with a superconducting ground state at low temperatures. From $x > 0.50$, we observe signatures of Kondo coherence and a heavy Fermi liquid regime at low temperature. Finally, at high cerium concentration $x \geq 0.85$, we observe signatures of magnetic ordering at low temperatures. We discuss our results by introducing temperature scales related to superconductivity, the Kondo effect, and magnetic order, which permits building a rich phase diagram temperature versus cerium content $x$. This shows that using the cerium concentration $x$ as a unique control parameter, we can explore the Kondo entanglement between correlated $3d$ and $4f$ electrons, which suggests an unusual change between the superconducting state related to the $3d$ electrons and the Kondo coherent state involving both $3d$ and $4f$ electrons.

研究动机与目标

• 了解 Ce 替代在 La1−xCe x FeSiH（0 ≤ x ≤ 1）中如何调控基态性质。
• 表征竞争性生效的各自区间：超导性（SC）、Kondo 无序、Kondo 相干与磁性序。
• 建立与每个区间相关的温度尺度并构建温度–x 相图。
• 阐释在这一 ZrCuSiAs 型 氢化物家族中相关铁 3d 电子与铈 4f 电子的耦合与竞争关系。

提出的方法

• 通过电弧熔炼与退火制备多晶 La1−xCe x FeSiH，并在真空中进行氢插入。
• 结合 X 射线衍射与 Rietveld 精修确定晶体结构，确认 P4/nmm 结构。
• 在温度及必要时磁场下，测量电阻、磁化、比热与热电势等量性参数。
• 提取超导对应的特征温度（Tρc、Tχc）、单点 Kondo 无序温度（Tρmin）、Kondo 相干温度（Tρmax）及磁异常温度（Tχm、TCp m）。
• 通过相行为分析构建温度–x 相图，展示 SC、Kondo 无序、Kondo 相干与磁性有序区域。

Figure 1: (a) Selected interatomic distances in LaFeSiH and CeFeSiH (in Å ). (b) Evolution of lattice parameters in La 1-x Ce x FeSiH solid solution at room temperature with respect to cerium concentration.

实验结果

研究问题

• RQ1 Ce 替代 x 如何调控 La1−xCe x FeSiH 中超导性的存在与强度？
• RQ2 该 3d–4f 体系中 Kondo 无序与 Kondo 相干的标志与温度尺度为何？
• RQ3 在何种 Ce 含量下出现磁性有序现象，它们与 Kondo 屏蔽和超导性之间存在何关系？
• RQ4 是否可以构建统一的相图，将 3d 铁电子与 4f 铈电子通过纠缠与区间竞争联系起来？

主要发现

• 在低 Ce 含量（x ≤ 0.20）观察到超导性，但随着 x 增大逐渐被抑制。
• 当 0.07 ≤ x ≤ 0.50 时出现单离子 Kondo 效应，在 Tρmin 以下电阻呈对数上升。
• 在低温下，0.35 ≤ x ≤ 0.85 出现 Kondo 相干，可通过电阻最大值 Tρmax（约 2.25–2.85 K）指示。
• 在高 Ce 含量（x ≥ 0.85）在比热与磁化中出现磁性有序信号。
• 在 0.07 < x < 0.20 时观测到 Kondo 效应与超导性的共存。
• Ce 含量 x 作为独特的控制参量，连接 3d 电子超导性与 4f 电子重费荷行为，在 SC → Kondo 相干 → 磁有序状态之间经历复杂转变。
• Ce 含量 x 作为将 3d 电子超导性与 4f 电子重费行为联系起来的关键调控参数，呈现从 SC 到 Kondo 相干再到磁性有序的复杂转变。

Figure 2: (a) Electrical resistance normalized at 300 K for the La 1-x Ce x FeSiH solid solution as a function of temperature. (b) Electrical resistance normalized at 50 K for La 0.15 Ce 0.85 FeSiH and CeFeSiH. The insets show the derivative of the electrical resistance. (c) Magnetoresistance of La