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浙江大学在“重费米子115体系中的量子临界研究”取得新进展

编辑:phyqianyg 时间:2015年04月27日 访问次数:3088

Ce-115系列化合物是当前最受关注的一类重费米子材料,表现出异常丰富的物理性质。CeCoIn5CeIrIn5在常压下即为重费米子超导体,CeCoIn5的超导转变温度高达2.3K,是当前重费米子体系中最高的。而CeRhIn5在常压下为反铁磁金属,外加压力可以抑制反铁磁序而诱导超导。该类化合物是研究量子相变、超导与磁性相互作用的理想体系,这方面的工作还在不断深化。

 

与其它关联电子材料相比,重费米子化合物中的多体相互作用能量尺度较低,其基态性质常可通过掺杂、压力或者磁场进行调控。在CeCoIn5CeIrIn5中,1.0%左右的Cd杂就可以破坏超导,诱发长程反铁磁序,但其中的物理机制仍存在激烈争论,尚待深入探究。通过测量1%Cd掺杂的CeIrIn5样品在不同压力条件下的低温电阻和比热,浙江大学关联物质研究中心和物理系的研究团队及其合作者发现该化合物的反铁磁相逐渐被压力抑制,但是没有观察到相关的反铁磁量子临界现象,而重新出现的超导态则与压力下纯CeIrIn5的性质非常类似。量子临界点附近的自旋液滴模型可以成功解释相关的实验现象:常压下的CeCoIn5CeIrIn5都处于反铁磁量子临界点附近,Cd杂质周围由于临界涨落而凝聚成较大的自旋液滴。随着Cd掺杂浓度的增加,这些自旋液滴会在空间中交叠从而形成反铁磁长程序;而压力下的CeIrIn5 (以及CeCoIn5会远离其量子临界点,临界涨落的减弱会导致自旋液滴尺寸减小,长程反铁磁因退相干而最终消失。该发现揭示了量子临界点附近的一般规律,少量的杂质即会产生非均匀电子态从而影响物质的本征态。

 

该研究成果在线发表在201549日的Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 114, 146403 (2015)】。论文第一作者为浙江大学物理系博士研究生陈晔同学(导师为袁辉球教授),论文通讯作者为关联物质研究中心路欣特聘研究员。样品由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和加州大学欧文分校的合作者提供,主要实验测量在浙江大学完成。

 

近一年来,浙江大学关联物质研究中心和物理系的研究团队在重费米子Ce-115方面取得了一系列重要研究成果。除了上述研究成果外,作为共同第一作者,路欣特聘研究员及其合作者先前在Cd掺杂的CeCoIn5中也发现了类似的现象【Nature Physics 10, 120 (2014)】。袁辉球教授等在CeRhIn5中发现压力和磁场可以诱导不同类型的量子临界点,并可以通过费米面的变化来进行表征【PNAS 112, 673 (2015);给出了CeIrIn5位于反铁磁量子临界点的直接实验证据【Phys. Rev. 89, 041101(R) (2014),被选为Editor's Suggestion】,澄清了学术界的一些重要争议问题。该方面的研究还在继续中,并且不断取得新进展,期待更多的新成果发表。

 

研究工作得到了教育部中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金以及科技部973项目等的支持。

图:(左) 交流比热测量的示意图;(右) 1% Cd-CeIrIn5在压力下的相图,其中反铁磁相(AFM)可能延伸至P2~3.1 GPa.