反铁磁铀基化合物USb2的5f电子奇异特性研究

Uranium compounds present a plethora of exotic physical behaviors due to the many-body interactions of 5f electrons. The nature of 5f electrons are far from being thoroughly understood due to lack of experimental data and the difficultly in dealing with the strong interactions in f-electron systems. The specific behavior of the 5f states in different collective ordering states and the electronic structure evolution during such phase transitions have not been well studied and revealed. Our proposed project main focus on the study of the 5f electronic states in the antiferromagnetic uranium compound USb2.High quality single crystals will we grown by flux method, the transport properties will be studied using PPMS to reveal the macro transport characters. The 5f electronic structure will be studied using angle resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling spectroscopy combined with first principle calculations. The exotic properties of the 5f states and the coupling between different degrees of freedom will be studied systematically and comprehensively. We will explore the specific representation of the 5f states before and after the antiferromagnetic transition and the localized to itinerant electronic transition. The common rule of the coupling between different degrees of freedom and its representation in band structures will also be studied. Our research results will provide important information to explain the exotic properties of 5f electron materials and may shed light on the understanding of the universal nature of 5f states.

铀基化合物由于具有关联性较强的5f电子而呈现出纷繁复杂的宏观物理现象。由于实验数据的匮乏，理论模拟的困难，目前人们对5f电子的理解还远远不够。5f电子结构在各种有序度下的具体表现以及在相变过程中的演化规律，还没有被充分研究和揭示。本课题选择反铁磁铀基化合物USb2为研究对象，拟采用助溶剂方法生长高质量的USb2单晶材料，利用PPMS测量其宏观输运性质，采用角分辨光电子能谱和扫描隧道显微镜两种先进的电子结构测量技术，并结合理论计算对5f电子的各种奇异行为和多自由度耦合现象进行系统、深入的研究。探索铀基化合物5f电子在反铁磁相变、局域-巡游转变前后的基本特征，多自由度耦合的一般规律和物理机制以及其在电子结构上的具体表现。我们的研究结果有望揭示5f电子的某些普适行为特征，为理解5f电子材料的各种奇异特性提供重要的实验数据支撑。

在重电子材料中，在不同的外场环境下f电子可以同时表现出局域和巡游双重特性，局域的f电子与巡游的导带电子之间的杂化效应被认为是重电子材料各种新奇物理特性的根源，比如重费米子行为、磁有序、非常规超导等。由于锕系材料具有放射性和化学毒性，对其电子结构演变规律（如磁转变、局域-巡游转变等）的直接实验研究数据极为匮乏。. 本项目采用角分辨光电子能谱（ARPES）、扫描隧道显微技术（STM/STS)结合第一性原理计算对典型铀基化合物USb2电子结构进行了研究。我们在USb2中观察到了5f电子的局域-巡游双重特性，以及随着温度降低产生的两种不同类型的准粒子能带。当温度从室温降到反铁磁转变温度203K之下，在布里渊区M点产生了一条准粒子能带，并且该能带随温度降低打开满足BCS平均场理论的能隙，表现出自旋密度波（SDW）行为。在布里渊区Gamma点，当温度降低到130 K左右时，发生f电子的局域-巡游转变， 产生另外一条准粒子能带，并且在更低的温度打开杂化能隙。. 我们的实验结果给出了铀基重电子材料中5f电子发生局域-巡游转变、f电子与导带电子杂化和反铁磁转变过程中电子结构演变的直接谱学证据。研究发现5f电子局域-巡游转变的起始发生温度远高于其相干温度，而且在局域-巡游转变过程中伴随着发生大小费米面变化。本项目的研究结果给出了铀基重费米子材料5f电子在局域-巡游转变、杂化、自旋密度波转变等过程中的演变规律和完整图像，对理解重费米子材料奇异量子特性具有重要意义。