[论文解读] Why could Electron Spin Resonance be observed in a Kondo lattice with heavy fermions

B. I. Kochelaev, S. I. Belov+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2009

Rare-earth and actinide compounds被引用 1

一句话总结

本文提出了一套理论框架，解释了重费米子Kondo晶格系统中电子自旋共振（ESR）的机制，表明尽管存在强烈的各向异性，集体自旋模式的弛豫仍因发散贡献的相互抵消而被抑制。该模型通过铁磁关联引起的运动变窄效应，成功解释了YbRh2Si2中温度和磁场依赖的ESR线宽。

ABSTRACT

We develop a theoretical basis for understanding the spin relaxation processes in Kondo lattice systems with heavy fermions as experimentally observed by electron spin resonance (ESR). The Kondo effect leads to a common energy scale that regulates a logarithmic divergence of different spin kinetic coefficients and supports a collective spin motion of the Kondo ions with conduction electrons. We find that the relaxation rate of a collective spin mode is greatly reduced due to a mutual cancelation of all the divergent contributions even in the case of the strongly anisotropic Kondo interaction. The contribution to the ESR linewidth caused by the local magnetic field distribution is subject to motional narrowing supported by ferromagnetic correlations. The developed theoretical model successfully explains the ESR data of YbRh2Si2 in terms of their dependence on temperature and magnetic field.

研究动机与目标

• 解释在YbRh2Si2等重费米子Kondo晶格系统中实验观测到的电子自旋共振（ESR）。
• 理解尽管自旋动能系数存在发散贡献，集体自旋模式的自旋弛豫速率为何显著降低的根源。
• 解释YbRh2Si2中ESR线宽的温度和磁场依赖性。
• 研究铁磁关联在通过运动变窄效应缩小ESR线宽中的作用。

提出的方法

• 构建包含Kondo效应能量尺度作为对数发散调节器的重费米子Kondo晶格自旋弛豫理论模型。
• 分析强各向异性Kondo相互作用下自旋动能系数及其发散贡献的特性。
• 采用集体模式方法描述Kondo离子与传导电子耦合的相干运动。
• 考虑局域磁场分布及其由于自旋涨落引起的动态平均效应。
• 利用铁磁关联效应建模ESR线宽的运动变窄。
• 将理论预测与YbRh2Si2在不同温度和磁场下的实验ESR数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在重费米子Kondo晶格中，尽管自旋动能系数存在发散贡献，集体自旋模式的自旋弛豫速率仍显著降低？
• RQ2 Kondo效应如何在强各向异性条件下抑制自旋弛豫过程中的对数发散？
• RQ3 铁磁关联在ESR线宽的运动变窄中起什么作用？
• RQ4 局域磁场分布如何贡献于ESR线宽，其又如何受动态涨落的影响？
• RQ5 该理论模型在多大程度上能定量再现YbRh2Si2中ESR的温度和磁场依赖性？

主要发现

• 即使在Kondo相互作用存在强烈各向异性的情况下，由于自旋动能系数发散贡献的相互抵消，集体自旋模式的弛豫速率仍被显著降低。
• Kondo效应提供了一个共同的能量尺度，用以调节对数发散，从而稳定集体自旋动力学。
• 局域磁场不均匀性对ESR线宽的贡献被运动变窄所抑制，其驱动力为铁磁自旋关联。
• 理论模型成功再现了YbRh2Si2中观测到的ESR线宽的温度和磁场依赖性。
• 该模型无需引入额外的弛豫机制，仅依靠内在的抵消和关联效应即可解释实验ESR数据。
• 结果表明，重费米子Kondo晶格中的集体自旋模式可因发散项的对称性保护抵消而表现出异常低的弛豫速率。