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High-pressure structure and electronic properties of YbD$$_{2}$$ to 34 GPa

YbD$$_{2}$$の34GPaまでの構造と電子状態

Klotz, S.*; Casula, M.*; 小松 一生*; 町田 真一*; 服部 高典

Klotz, S.*; Casula, M.*; Komatsu, Kazuki*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori

イッテルビウム水素化物(YbH$$_{2}$$)はCaH$$_{2}$$型構造からYがhcp位置、Hが未知の位置にある高圧相へと16GPaで転移する。本研究では、34GPaまでの中性子回折実験により、Hを含めた構造の完全決定を行った。水素(重水素)は、空間群$$P6_{3}/mmc$$の2aおよび2d位置を占め、高対称な"崩れた"密な充点構造をとる。高圧相への転移はゆるやかに起こり、全水素のうちの半分が、波打った水素レイヤーからYbで作られる格子の格子間に移動するように見える。第一原理計算から、この相転移は、$$f$$電子の占有率の変化(完全に占有状態から、部分占有状態x$$approx$$0.75)を伴うことが分かった。この相転移に伴う$$f$$軌道から$$d$$軌道への電子遷移は、結晶のバンドギャップを閉じ、金属状態を生み出す。その金属の基底状態は、格子間水素の面外振動モードを含んだ大きな電子-格子相互作用を持っている。

Ytterbium dihydride (YbH$$_{2}$$) shows a well-known transition at $$approx$$16 GPa from a CaH$$_{2}$$-type structure to a high-pressure (high-$$P$$) phase with Yb at hcp sites and unknown H-positions. Here, we report its complete structure determination by neutron diffraction at 34 GPa. Hydrogen(deuterium) is located at 2$$a$$ and 2$$d$$ positions of space group $$P6_{3}/mmc$$, thus forming a high-symmetry "collapsed" close-packed lattice. The transition is sluggish and can be seen as a transfer of 1/2 of the hydrogen atoms from strongly corrugated H-layers to interstitial sites of the Yb-lattice. We demonstrate by first-principles calculations that the transition is related to a change from a completely filled $$f$$-electron configuration to a fractional $$f$$-hole ($$approx$$0.25 h) occupation in the high-$$P$$ phase. The $$f$$ $$to$$ $$d$$ charge transfer closes the gap at the transition and leads to a metallic ground state with sizeable electron-phonon interaction involving out-of-plane vibrational modes of interstitial hydrogen.

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