重费米子材料CeIn3的量子临界相变调控及电子结构表征

In heavy fermions (HF) systems, the competition between intersite RKKY interaction and onsite Kondo effect contributes to the abundant ground states, which can be tuned from magnetically ordered states to non-magnetic states with non-thermal parameters at zero temperature, such as pressure, magnetic field, dosage concentration and dimensionality. The second-order quantum critical transition is related to the magnetism fluctuations. Non-Fermi-Liquid, even superconducting behaviors emerge around the transition. The HF quantum critical behaviors are analogical to the ones of cuprates and Iron-based supercondutors. Our key points are focused on the electronic structure difference between areas near quantum critical point (QCP) and far away from the QCP. Moreover, characterizing the electronic structures of different QCP dimensionalities is also emphasized. In this proposal, we will use Molecular beam epitaxy and flux methods to prepare the thin film single crystals CeIn3 and doped CeIn3-xSnx bulk single crystals, respectively. Scanning Tunneling Microscopy will be used to obtain the real space structures and local density of states of CeIn3 compounds. Angle Resolved Photoemission Spectroscopy will be used to characterize the electronic structures and the topology of the Fermi surface of CeIn3 compounds. Together with the first principle calculations, we can study how non-thermal parameters influence the electronic structures near QCP deeply and explain the physical pictures of the quantum critical transitions perspective from electronic structures.

重费米子体系中，电子间的RKKY相互作用与Kondo效应之间的竞争使得体系基态非常丰富。零温下，通过调节非温度参量（压力、磁场、杂质浓度、维度等），其基态能够实现磁有序到无磁性的二阶量子临界相变,在量子临界点附近磁性不稳定呈现出非费米液体，甚至是超导的新态。重费米子材料的临界相变与铁基、铜基超导体有很多相似之处。找出量子临界点附近和远离量子临界点处的电子结构差异，标定不同维度临界点处电子结构特征，是我们关心的问题。本项目拟采用分子束外延技术和助熔剂方法来获得重费米子材料CeIn3薄膜单晶样品和CeIn3-xSnx的块材单晶样品，利用扫描隧道显微技术获得其表面原子结构和局域态密度，利用角分辨光电子能谱技术测量其价电子和费米面结构，并结合第一性原理计算，深入系统的研究非温度参量（杂质浓度、维度）对临界点附近电子结构的影响，从电子结构角度阐释量子临界相变的物理图像。

本项目首先利用助溶剂方法成功制备出一系列Sn掺杂的CeIn3块体样品，利用扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱仪、物性测量系统等系统研究了Sn掺杂对CeIn3微观性能的影响，主要有以下几点结论：1）在CeIn3母体材料中，其f电子主要体现出局域的特性，然而其部分f电子仍然可以与传导电子杂化，形成重费米子态，这是该材料中电子有效质量增强的直接原因，并且重费米子态持续到反铁磁态内；2）在其母体材料CeIn3中，能够观察到由于晶体场效应而产生的f能带劈裂行为，其能级劈裂宽度大约为10 meV；3）随着Sn的掺杂，其反铁磁温度逐渐降低直至消失，并且其f电子与传导电子之间的杂化强度逐渐增强，该体系的f电子的巡游性逐渐增强；4）无论该体系的基态是顺磁态还是反铁磁态，其f电子总表现出局域和巡游的双重特性。此外，我们还利用分子束外延方法成功制备出CeIn3单晶薄膜样品，并对其电子结构进行了细致研究，并发现当薄膜样品的较厚时，其电子结构与块体样品基本一致，而在样品较薄时，薄膜中f电子会随着厚度的增加而出现局域到巡游的转变。该项目的研究成果阐明了重费米子材料CeIn3中f电子局域巡游的双重特性，展示出f电子局域的材料中同样也存在杂化行为，并且该杂化行为与磁性能够共存，这些研究成果为重费米子材料中杂化、磁性、量子临界等的形成机理提供了实验证据。