單質金屬Ce中的γ-α相變伴隨著4f電子的局域-巡游轉變，其機理長期以來一直存在爭議：一種圖像認為相變源于4f電子自身的Mott轉變，另一種則歸因為4f電子與spd電子間Kondo雜化強度的變化。由于Ce元素化學活性較強，高質量的薄膜生長與譜學測量存在難度。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組研究員楊義峰與浙江大學教授劉洋等合作，通過對Ce膜電子結構的分析，揭示出其中存在的軌道選擇Mott物理。研究發現，用分子束外延生長出的Ce膜在不同熱退火處理下具有顯著不同的電子結構。如圖所示，P1相中4f電子與導帶之間存在很強雜化，在費米能附近形成平帶，為典型的重費米子或Kondo晶格物理；在P2相中，費米能附近能帶呈現出與第一性原理計算符合的W型色散，完全來自4f軌道，表明4f軌道本身具有巡游性。結構上，P2相的層間距比P1相小3%，晶格壓縮引起了4f帶寬增加，導致4f電子的軌道選擇退局域化，出現類似過渡金屬化合物中的典型Mott物理。
該研究擴展了此前的相關研究，為理解單質金屬Ce中4f電子的局域-巡游轉變提供了重要的實驗基礎。相關研究成果發表在Nature Communications 12, 2520 (2021)上。研究工作獲得科學技術部、國家自然科學基金委、中科院的支持。
不同Ce膜的電子結構比較，其中，P1和P2相在費米能附近的色散分別表現出強烈的Kondo雜化特征和巡游4f準粒子的特征