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中國科學院物理研究所 EX9組供稿 第67期 2019年10月11日
北京凝聚態物理國家研究中心
自旋阻挫重費米子體系中的量子臨界相的發現

  當一個二級相變通過非溫度控制的外參量被連續壓制到絕對零度附近時,體系會發生量子相變。發生量子相變的臨界點,即量子臨界點,是絕對零度條件下位于外參量軸上的一個點,通??梢醞ü骺匱沽?、磁場等手段來獲得。量子相變和有限溫度下由熱漲落控制的相變不同,其物理本質是基于海森堡不確定原理的量子漲落行為。量子相變在重費米子,非常規超導,量子自旋以及冷原子等不同系統中均得到了廣泛深入的研究,是產生奇異集體激發模式和新物性的一個重要途徑。尤其重要的是,量子臨界點雖然產生于絕對零度附近,但是其相關的量子漲落卻可以深刻地影響有限溫度下的物理行為。很多非常規物理性質,包括高溫超導,都可能和量子臨界漲落有密切的關系。
  重費米子材料是量子臨界行為研究的理想體系。這類材料中,傳導電子和局域f/d電子間能帶雜化產生近藤效應,進而屏蔽局域磁矩。與此同時,局域磁矩間具有RKKY間接交換相互作用,導致磁矩安定化并趨于磁有序。這兩個矛盾的物理過程在重費米子材料中相互競爭,產生量子臨界現象,甚至非常規超導。另一方面,對于自旋阻挫效應的研究主要集中在絕緣的量子自旋體系,是凝聚態物理的另一個重要研究方向。在該類體系中,自旋阻挫引起的量子漲落會破壞長程磁有序,并可能導致絕對零度下的自旋液體等新奇物態。在具有金屬行為的重費米子體系中引入自旋阻挫,將增強低溫下的量子漲落,并和傳導電子媒介的長程RKKY交換相互作用形成競爭。這時體系的量子臨界行為會如何演變,是一個重要的基礎物理問題。
  近日,《自然-物理》雜志發表了中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX9組孫培杰研究員團隊博士生趙恒燦,張佳浩等人和萊斯大學Q. Si教授以及馬普所F. Steglich教授的合作研究成果。他們發現當重費米子體系的近藤晶格位于阻挫kagome格子時,通過磁場和壓力調控,體系會產生一個在壓力磁場相圖上很寬的、安定的量子臨界相。壓力下的電阻率、磁化率和比熱等測量表明,自旋阻挫導致的量子漲落是產生該量子臨界相的主要原因。和其他各類材料中常見的量子臨界點不同,相圖空間上廣域的量子臨界相的發現預示著一個由量子漲落導致的穩定新物態的產生。同時,研究團隊還發現該量子臨界相具有非費米液體等奇異的物理性質。
  該研究關注的重費米子材料CePdAl具有變形的kagome阻挫結構。自旋阻挫在很大程度上降低了該材料的反鐵磁有序溫度,并在磁有序溫度以上形成很強的短程自旋關聯,表現為磁化率的寬峰。通過構建該材料在極低溫下的磁場、壓力和溫度的三維相圖,研究團隊發現該材料在反鐵磁有序被磁場或壓力壓制以后,并沒有進入非磁性的重費米子態,而是形成了一個在很寬壓力和磁場范圍內的量子順磁態。該物態具有局域磁矩,但是在絕對零度附近也沒有形成長程磁有序,具有金屬自旋液體的特征。區別于常規的量子臨界點,絕對零度下這一由量子漲落導致的區域被稱為量子臨界相。繼續增加壓力或磁場,該量子臨界相可以被壓制,體系發生局域巡游轉變,進入重費米子態。這一發現對于探索和理解量子漲落導致的非常規金屬行為具有重要的意義。
  《自然-物理》還同期發表了德國馬普復雜系統物理研究所Aline Ramires博士應邀撰寫的題為“Frustration can be critical”的評述文章,對該研究工作的物理意義進行了詳細的評述。
  上述研究得到了科技部(2017YFA0303100,2015CB921303,2018YFA0305702),國家自然科學基金委(11774404,11474332,11574377,11874400),以及中國科學院(XDB07020200)的支持。參與該工作合作研究的還包括德國奧格斯堡大學的P. Gegenwart教授團隊,日本富山大學的Y.Isikawa教授,物理所楊義峰研究員、陳根富研究員、程金光研究員和張帥副研究員等。相關論文近日在線發表于Nature Physics,https://doi.org/10.1038/s41567-019-0666-6;同期發表的評述文章參考https://doi.org/10.1038/s41567-019-0668-4。


圖一:CePdAl中壓力誘導量子臨界相的產生。(a) 溫度-壓力相圖和電阻率的溫度指數。(b) 通過參雜產生的化學壓力表現出和靜水壓同樣的結果,在量子臨界相中具有發散的電子比熱系數。(c) 電阻率的A系數和殘留電阻對應兩個臨界壓力,中間區域代表量子臨界相。

圖二:非自旋阻挫體系中的量子臨界點和自旋阻挫體系中的量子臨界相的對比。(參考A.Ramires,https://doi.org/10.1038/s41567-019-0668-4

下載附件>> zhao s41567-019-0666-6.pdf
下載附件>> Ramires s41567-019-0668-4.pdf
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