单质金属Ce中的γ-α相变伴随着4f电子的局域-巡游转变，其机理长期以来一直存在争议：一种图像认为相变源于4f电子自身的Mott转变，另一种则归因为4f电子与spd电子间Kondo杂化强度的变化。由于Ce元素化学活性很强，高质量的薄膜生长与谱学测量有很大的难度。
　　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EX9组的杨义峰研究员与浙江大学的刘洋教授等合作者一起，通过对Ce膜电子结构的分析，清楚揭示出其中存在的轨道选择Mott物理。他们发现用分子束外延生长出的Ce膜在不同热退火处理下具有显著不同的电子结构。如图1所示，P1相中4f电子与导带之间存在很强杂化，在费米能附近形成平带，为典型的重费米子或Kondo晶格物理；而在P2相中，费米能附近能带呈现出与第一性原理计算符合的W型色散，完全来自4f轨道，表明4f轨道本身具有巡游性。结构上，P2相的层间距比P1相小3%，晶格压缩引起了4f带宽增加，导致4f电子的轨道选择退局域化，出现类似过渡金属化合物中的典型Mott物理。
　　这一工作扩展了之前的相关研究，为理解单质金属Ce中4f电子的局域-巡游转变提供了重要的实验基础。论文发表于Nature Communications 12, 2520 (2021)，得到了科技部、基金委、中科院的支持。
[1] Yi Wu, Yuan Fang, Peng Li, Zhiguang Xiao, Hao Zheng, Huiqiu Yuan, Chao Cao, Yi-feng Yang*, and Yang Liu*, Nat. Commun. 12, 2520 (2021).
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22710-2

图1：不同Ce膜的电子结构比较，其中P1和P2相在费米能附近的色散分别表现出强烈的Kondo杂化特征和巡游4f准粒子的特征。

Nature Commun. 12, 2520 (2021).pdf