中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
SC3组供稿
第120期
2024年10月17日
YFe2Ge2中的平带和重费米子态

  电子平带由于其显著增强的电子关联,在新奇量子态和低能激发的产生方面有着巨大潜力。因此,近年来具有平带特性的材料备受关注,相关研究主要集中在几何阻挫晶格体系,如魔角石墨烯和Kagome材料等。在非几何阻挫材料中,电子平带的出现则体现出了更多的可能性。基于d电子材料的多轨道特性及其轨道选择性,大家期望在d电子系统中探索平带及其相关的重费米子态行为。例如,铁基超导体由于Fe 3d电子同时具有巡游和局域特征,以及Hund耦合促进的轨道选择电子关联,使其成为研究d电子系统中多种新兴量子现象的独特平台。YFe2Ge2由于具有与铁基超导体KFe2As2相似的非常规超导和异常重费米子态行为,同样受到大家的关注。尽管Hund和Kondo相关机制都被认为是YFe2Ge2中异常重费米子态的可能解释,但目前尚未有明确的定论。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC3组的许兵特聘研究员、邱祥冈研究员与瑞士Fribourg大学的Christian Bernhard教授课题组、北京师范大学殷志平教授课题组、复旦大学赵俊教授课题组合作,采用红外光谱实验研究发现YFe2Ge2表现出类似于f电子系统的重费米子特征,包括Drude响应的非相干到相干过渡行为、有效质量增强以及杂化能隙的形成等。结合动力学平均场理论计算,进一步发现YFe2Ge2的重费米子行为不同于传统f电子系统的Kondo机制,甚至也不同于KFe2As2中Hund耦合驱动的轨道选择电子关联机制,而是由费米能处Fe 3dxz/yz轨道贡献的电子平带驱动。这一平带的起源是Fe-Fe直接和Fe-Ge-Fe间接跳跃通道之间的相消效应,导致动能阻挫,再加上Y电子参与的能带杂化以及电子关联效应三者共同作用的结果。

  该研究澄清了YFe2Ge2中的平带和异常重费米子性质的起源,提出的新机制既不同于传统f电子系统的Kondo机制,也不同于KFe2As2中Hund耦合驱动的轨道选择电子关联机制,可以为其他相关d电子重费米子材料的研究提供新的视角和策略。

  本工作受到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划项目和中国科学院的资助。相关研究结果以“Unraveling the origin of Kondo-like behavior in the 3d-electron heavy-fermion compound YFe2Ge2”为题发表在近期的美国国家科学院院刊上【PNAS 121, e2401430121 (2024)】。文章链接:https://www.doi.org/10.1073/pnas.2401430121


    图: YFe2G2中d电子与传统f电子系统中费米能附近平带和杂化能隙形成的示意图,以及相应的光电导谱特征。