Study of electronic structure in heavy fermion Ce compounds through Compton scattering experiment

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03523
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 小泉 昭久 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 准教授 (00244682)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 重い電子 / セリウム化合物 / 放射光 / コンプトン散乱 / 電子運動量密度 / 電子占有数密度

Outline of Annual Research Achievements

希土類元素を含む金属間化合物には「重い電子」状態を示すものが多く発見されており、強相関電子系の大きな研究分野を形成している。希土類の４f 電子は、高温では局在的であるが、低温において伝導電子との混成を通じて遍歴性を獲得する。このとき、伝導電子の有効質量が、自由電子に比べて非常に大きくなることから重い電子系と呼ばれている。
本研究では、Ce 系重い電子化合物である CeIn3 および CeIn3 を TIn2 (T = Co, Rh) で挟んだ構造をもつ擬二次元系層状物質 CeTIn5 を対象試料として、これらの系が示す「f 電子の遍歴⇔局在」、「磁性⇔非磁性」、「重い電子状態⇔超伝導」の変化に伴う電子構造の移り変わりを明らかにすることを目的とする。
採択後の2年間で、今後の実験結果と比較するうえで、基礎的なデータを与えるものと考えられるCeIn3 試料で、4f電子の局在状態、遍歴状態、及び反強磁性状態におけるコンプトン散乱二次元再構成測定を行い、更に、擬二次元系層状物質の一つであるCeRhIn5について、局在状態と考えられる室温と遍歴状態と考えられる5Kで、同様の放射光実験を行っている。
R02年度には、CeRhIn5の低温における反強磁性相での測定や、更にCeCoIn5試料への展開を予定していたが、「現在までの達成度」で示すように、コロナの感染拡大による影響もあり、これらの試料についての研究は、現状では少し遅れていると言わざるを得ない。
ただし、これまでに得られている実験データに対しては、それぞれ、二次元再構成解析により運動量密度分布を求め、更に、この運動量密度分布にLock-Crisp-West法による解析を適用することにより電子占有数密度を導出した。これらは、観測面に射影された二次元の電子構造ではあるが、フェルミ面構造の変化を反映しているものと考えられる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究課題の全体的構想としては、Ce 系重い電子化合物（CeIn3、CeTIn5 (T = Co, Rh)）が示す「f 電子の遍歴⇔局在」、「磁性⇔非磁性」、「重い電子状態⇔超伝導」の変化に伴う電子構造の移り変わりを明らかにすることを目的としている。
初年度には、今後の実験結果と比較するうえで、基礎的なデータを与えるものと考えられるCeIn3 において、4f電子の局在状態と考えられる室温と遍歴状態と考えられる低温（20K）で、放射光によるコンプトン散乱二次元再構成測定を行った。
R01年度には、引き続きCeIn3を対象に、更に低温の反強磁性相（７K）と、参照物質として4f電子を持たないLaIn3について、コンプトン散乱二次元再構成測定を行った。また、擬二次元系層状物質の一つであるCeRhIn5について、局在状態と考えられる室温と遍歴状態と考えられる5Kで、同様の放射光実験を行った。R01年度の測定では、10K以下の低温における反強磁性状態や遍歴状態を調べるために、新しく導入された試料用冷凍器を利用した。10K以下の低温において、コンプトン散乱測定を行うことが可能になったことは、これ以降の研究計画の遂行にとって大きな進展と言える。
以上のような状況のもと、R02年度では、SPring-8の2020A期課題においてCeRhIn5の反強磁性相について測定を試みたが、試料用冷凍器の不調のため反強磁性転移温度以下の温度に冷却できなかったため、予定していたデータは得られなかった。ただし、冷凍器の問題点であったバックグラウンド散乱の改善については確認できている。また、SPring-8の2020B期の課題においてはCeCoIn5の測定を計画し、課題申請を行う予定でいたが、全国的なコロナ感染拡大の影響を受けて、研究協力者からの試料提供が困難な状況となったため、課題申請を見送った。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究課題の遂行においても放射光を用いた実験を行うため、既に、SPring-8の2021A期に対する課題申請を行い、採択を得ている。また、コロナの影響で遅れていた試料提供についても改善されており、研究協力者から、CeCoIn5単結晶を送付いただいている。この試料について、高温（室温）のｆ電子-局在状態と低温（～10Ｋ）の遍歴状態において、コンプトン散乱の二次元再構成測定を行う予定である。さらに、2021B期への課題申請を行い、超伝導状態（Ｔ＜2.3Ｋ）の測定にも挑戦する予定である。尚、前回の実験で問題となった試料用冷凍器の不調は、既に改善されている。
また、既に実験・解析を行っているCeIn3やLaIn3につては、成果をまとめて、論文の執筆を行う予定である。
一方、コロナの影響により遅れた内容については、次年度への繰り越しを検討する。

Causes of Carryover

コロナ感染拡大による影響で、研究協力者からの試料提供が困難になったため、当該年度に予定していた放射光実験の課題申請を見送った。これにより、放射光実験に係る費用が繰り越された。また、学会等は、現地での開催が中止され、オンライン配信になったため、旅費等も予定の金額を消化されず繰り越された。現在、試料提供は再開されたので、科研費課題の実験予定に従って、順次、放射光実験への課題申請および測定を実施していく。

Research Products

• [Journal Article] Visualizing the Kondo lattice crossover in YbRh2Si2 with Compton scattering (2021)
  • Author(s): M. Guttler, K. Kummer, K. Kliemt, C. Krellner, S. Seiro, C. Geibel, C. Laubschat, Y. Kubo, Y. Sakurai, D. V. Vyalikh, and A. Koizumi
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 103 Pages: 115126_1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.115126
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research