[论文解读] Symmetry and correlations underlying Hidden Order in URu2Si2

Nicholas P. Butch, Michael E. Manley+7 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Dec 26, 2012

Rare-earth and actinide compounds被引用 3

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射和X射线散射研究了URu2Si2中的隐藏序（HO）相，发现HO相保持了高温顺磁相的体心四重晶格对称性。尽管出现了HO，但未观察到空间对称性的降低，且磁激发与费米面相吻合，表明存在一种非局域的、对称性保持的序参量，与传统的密度波或局域序模型不一致。

ABSTRACT

We experimentally investigate the symmetry in the Hidden Order (HO) phase of intermetallic URu2Si2 by mapping the lattice and magnetic excitations via inelastic neutron and x-ray scattering measurements in the HO and high-temperature paramagnetic phases. At all temperatures the excitations respect the zone edges of the body-centered tetragonal paramagnetic phase, showing no signs of reduced spatial symmetry, even in the HO phase. The magnetic excitations originate from transitions between hybridized bands and track the Fermi surface, whose feature are corroborated by the phonon measurements. Due to a large hybridization energy scale, a full uranium moment persists in the HO phase, consistent with a lack of observed crystal-field-split states. Our results are inconsistent with local order parameter models and the behavior of typical density waves. We suggest that an order parameter that does not break spatial symmetry would naturally explain these characteristics.

研究动机与目标

• 确定URu2Si2中的隐藏序（HO）相是否如某些理论模型所预测的那样破缺空间对称性。
• 确定HO相中低能激发的起源，并区分其磁性与声子特性。
• 探究电子关联与杂化在稳定HO相中的作用。
• 检验所观测到的激发是否与传统的密度波或局域序参量模型一致。
• 确定铀的完整磁矩是否在HO相中保持不变，以表明晶体场分裂的缺失。

提出的方法

• 采用非弹性中子散射（INS）测量了高温顺磁相和隐藏序相中的晶格与磁激发。
• 非弹性X射线散射（IXS）提供了声子与电子激发的补充数据，具有高动量分辨率。
• 在布里渊区全范围内进行测量，以评估对称性破缺，重点分析布里渊区边界特征。
• 通过磁激发的色散关系探测费米面重构，并与能带结构计算进行比较。
• 根据磁激发的能量估算铀5f态与配体态之间的杂化能标。
• 将观测到的模式与声子和磁振子的理论预测进行比较，识别出此前被误分类的软模中的磁性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 URu2Si2的隐藏序相是否破缺体心四重晶格结构的空间对称性？
• RQ2 HO相中的低能激发是否具有磁性本质，还是如先前所建议的那样为声子性质？
• RQ3 在隐藏序相中，铀的完整磁矩是否保持不变，表明无晶体场分裂？
• RQ4 所观测到的磁激发是否与费米面相吻合，表明其具有相干电子起源？
• RQ5 这些数据能否用传统的密度波或局域序参量模型来解释？

主要发现

• 在顺磁相和隐藏序相中，晶格与磁激发均尊重完整的体心四重晶格对称性，未发现空间对称性降低的证据。
• 此前被识别为软声子的低能模式实际上具有磁性特征，源于杂化能带之间的跃迁。
• 磁激发与费米面相吻合，证实其具有相干电子起源，并与电子结构强耦合。
• 推断出较大的杂化能标（约100 meV），与完整的铀5f磁矩一致，且无晶体场分裂态的存在。
• 结果与局域序参量模型及传统密度波情景不一致，后者将导致空间对称性破缺。
• 数据支持一种不破缺空间对称性的序参量，表明存在一种新颖的、非局域的电子序形式。