对具有新奇物性的重费米子关键体系的电子结构研究

Heavy Fermion system not only can host unconventional superconductivity, but also can host topological non-trivial states based on recent theories. The interplay between the local moment of the f electrons with the itinerate conduction electrons and the d-f band inversion plays important roles on above novel properties. However, such an interplay and the band structure are poorly understood in many important heavy fermion materials due to the lack of momentum resolved electronic structure study, which hampers the understanding of the novel physical properties. Here we propose to study the novel heavy fermion-related materials by synchrotron-based angle-resolved photoemission spectroscopy, including the filled skutterudie PrOs4Sb12 (a heavy fermion superconductor), PrPt4Ge12 (Pr-based material with the highest superconducting Tc among Pr-based materials), CeOs4Sb12 (a topological Kondo insulator candidate), CeRu4Sn6 (a heavy Fermion Weyl Fermion candidate). The 3D electronic structures of these materials will be revealed for the first time; the predicted the topological non-trivial states will be examined and studied; the hybridization between f electron bands and conduction bands, the quasipartical dispersions, and their relation with the ground state of the system will be revealed. These results would help understanding the physical mechanism beneath the rich properties of heavy fermion materials.

重费米子体系既可承载非常规超导电性，又被预言有着拓扑非平庸行为。在这些新奇的物理行为中，关键物理问题为f电子的局域磁矩与巡游电子之间的相互作用、及d-f能带反转等。然而，在多个重要的重费米子材料中，至今尚无具有动量分辨的电子结构测量，对巡游与局域的作用、能带反转、是否存在拓扑非平庸态等重要问题缺乏实验的直观认识，阻碍了对其新奇物性的理解。本项目建议对几个具有新奇物性的重费米子材料进行同步辐射角分辨光电子能谱研究，包括PrOs4Sb12(重费米子超导)，PrPt4Ge12(Pr-系最高超导转变温度的超导)， CeOs4Sb12(可能的拓扑近藤绝缘体)，CeRu4Sn6(可能的重费米子外尔半金属)。研究将首次得到它们的三维电子结构；检验理论预言的拓扑近藤绝缘体/拓扑外尔半金属及其特征；得到f能带和巡游电子能带之间的杂化、准粒子色散等重要物理参数与体系基态的关系，增强对其超导、拓扑的理解。

重费米子体系具有非常丰富的相图和新奇物性如非常规超导、磁性等。在这些新奇的物理行为中，关键物理问题为f电子的局域磁矩与巡游电子之间的相互作用和d-f能带反转。然而，在多个重要的重费米子材料中，至今尚无具有动量分辨的电子结构测量，对巡游与局域的作用、能带反转、是否存在拓扑非平庸态等重要问题缺乏实验的直观认识，阻碍了对其新奇物性的理解。本项目利用上海光源同步辐射线站、以及多个国际上先进的同步辐射ARPES线站，对层状重费米子体系的Ce2PdIn8，填充方钴矿结构的CeOs4Sb12、PrOs4Sb12进行了系统的角分辨光电子能谱研究。我们首次给出了Ce2PdIn8三维的能带结构。利用共振角分辨光电子能谱，我们发现，随着温度的降低，局域化的f电子变得部分巡游，并形成重电子能带色散。f电子与导带电子发生杂化的温度大大高于相干温度。此外，我们揭示了具有不同f电子构型的填充方钴矿CeOs4Sb12和PrOs4Sb12在传导电子和f电子的杂化方面存在显著差异，并揭示了CeOs4Sb12中Kondo绝缘态的产生以及PrOs4Sb12中新奇的重费米子行为产生的原因。实验还对CeOs4Sb12中的能带反转和拓扑行为提供重要的实验性约束。这些结果清楚地展示了近藤物理学在4f1和4f2体系中的不同表现，从而引起了截然不同的基态。此外作为这一大类材料的首次ARPES研究，我们的结果和方法扩展了研究该体系材料的研究手段、对后续的理解填充方钴矿材料中4f电子和导带电子之间杂化行为的研究具有重要的借鉴和指导意义。这些结果揭示了几个关键重费米子体系中重费米子态的形成过程、及与宏观物理性质的内在关联，为理解重费米子体系的新奇物性提供了重要的实验基础。