Multipole fluctuations of itinerant f electrons and triakontadipole order in $ {\text{URu}}_{2}{\text{Si}}_{2}$

Hiroaki Ikeda; Michi-To Suzuki; Ryotaro Arita; Tetsuya Takimoto

doi:10.1016/j.crhy.2014.07.002

Multipole fluctuations of itinerant f electrons and triakontadipole order in

{URu}_{2} {Si}_{2}

[Fluctuations des multipoles dans les systèmes à électrons f itinérants et ordre triacontadipolaire dans

{URu}_{2} {Si}_{2}

]

Hiroaki Ikeda ^1,² ; Michi-To Suzuki ^3,⁴ ; Ryotaro Arita ³ ; Tetsuya Takimoto ⁵

¹ Department of Physics, Ritsumeikan University, Kusatsu 525-8577, Japan
² Department of Physics, Kyoto University, Kyoto 606-8502, Japan
³ RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Wako, Saitama 351-0198, Japan
⁴ CCSE, Japan Atomic Energy Agency, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8587, Japan
⁵ Department of Physics, Hanyang University, Seongdong, Seoul 133-791, Republic of Korea

Comptes Rendus. Physique, Volume 15 (2014) no. 7, pp. 587-598.

Résumé
Abstract

Les systèmes à électrons f fortement corrélés sont souvent caractérisés par des états électroniques nouveaux. Les degrés de liberté couplés par l'interaction spin–orbite peuvent donner lieu à un ordre exotique, caché, des moments multipolaires. Un exemple bien connu d'ordre caché est celui qui se développe à la transition de phase observée à 17,5 K dans ${URu}_{2} {Si}_{2}$ , qui constitue un mystère depuis sa découverte en 1985. Le caractère itinérant des électrons 5f dans ${URu}_{2} {Si}_{2}$ complique la description théorique de ce phénomène. Nous passons en revue les progrès récents accomplis sur la base d'un traitement théorique ab initio qui permet de décrire ce caractère itinérant. Nous montrons que, dans ce modèle, les divergences des susceptibilités multipolaires indiquent une instabilité vers un ordre triacontadipolaire, avec une symétrie de type E. Cet ordre multipolaire de type itinérant est compatible avec les principales caractéristiques de l'état d'ordre caché dans ${URu}_{2} {Si}_{2}$ , y compris une rupture de la symétrie de rotation d'ordre 4 telle qu'observée dans le cadre d'expériences récentes.

Novel electronic states are hallmarks of strongly correlated f-electron systems. The spin–orbital coupled degrees of freedom can lead to an exotic type of multipole hidden order (HO). A well-known HO is observed at the 17.5 K phase transition in ${URu}_{2} {Si}_{2}$ , which is a long-standing mystery since its discovery in 1985. The dominating itinerant character of the 5f electrons complicates a theoretical description of this phenomenon. Here we review recent progress on a first-principles theoretical approach that allows catching the itinerant feature of f electrons. We show that in the itinerant 5f-electron model of ${URu}_{2} {Si}_{2}$ , the most divergent multipole susceptibility indicates an instability to a triakontadipole order, with a doubly degenerate E-type symmetry. This itinerant-type multipole order is consistent with key features in the HO state, including the broken fourfold rotational symmetry observed in recent experiments.

Publié le : 2014-07-26

DOI : 10.1016/j.crhy.2014.07.002

Keywords: Hidden order, $ {\text{URu}}_{2}{\text{Si}}_{2}$, Multipolar order, Multipolar fluctuations
Mot clés : Ordre caché, $ {\text{URu}}_{2}{\text{Si}}_{2}$, Ordre multipolaire, Fluctuations de multipôle

Affiliations des auteurs :

Hiroaki Ikeda ^{1, 2} ; Michi-To Suzuki ^{3, 4} ; Ryotaro Arita ³ ; Tetsuya Takimoto ⁵

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Hiroaki Ikeda; Michi-To Suzuki; Ryotaro Arita; Tetsuya Takimoto. Multipole fluctuations of itinerant f electrons and triakontadipole order in $ {\text{URu}}_{2}{\text{Si}}_{2}$. Comptes Rendus. Physique, Volume 15 (2014) no. 7, pp. 587-598. doi : 10.1016/j.crhy.2014.07.002. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2014.07.002/

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