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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,通常可以通過調控壓力、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爲。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,是産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,量子臨界點雖然産生于絕對零度附近,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爲。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爲研究的理想體系。這類材料中,傳導電子和局域f/d電子間能帶雜化産生近藤效應,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,導致磁矩安定化並趨于磁有序。這兩個矛盾的物理過程在重費米子材料中相互競爭,産生量子臨界現象,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,並可能導致絕對零度下的自旋液體等新奇物態。在具有金屬行爲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,並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爲會如何演變,是一個重要的基礎物理問題。
  近日,《自然-物理》杂志发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极端条件物理重点实验室EX9组孙培杰研究員团队博士生赵恒灿,张佳浩等人和莱斯大学Q. Si教授以及马普所F. Steglich教授的合作研究成果。他们发现当重费米子体系的近藤晶格位于阻挫kagome格子时,通过磁场和压力调控,体系会产生一个在压力磁场相图上很宽的、安定的量子临界相。压力下的电阻率、磁化率和比热等测量表明,自旋阻挫导致的量子涨落是产生该量子临界相的主要原因。和其他各类材料中常见的量子临界点不同,相图空间上广域的量子临界相的发现预示着一个由量子涨落导致的稳定新物态的产生。同时,研究团队还发现该量子临界相具有非费米液体等奇异的物理性质。
  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,並在磁有序溫度以上形成很強的短程自旋關聯,表現爲磁化率的寬峰。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後,並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範圍內的量子順磁態。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爲量子臨界相。繼續增加壓力或磁場,該量子臨界相可以被壓制,體系發生局域巡遊轉變,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爲具有重要的意義。
  《自然-物理》还同期发表了德国马普复杂系统物理研究所Aline Ramires博士应邀撰写的题为“Frustration can be critical”的评述文章,对该研究工作的物理意义进行了详细的评述。
  上述研究得到了科技部(2017YFA0303100,2015CB921303,2018YFA0305702),国家自然科学基金委(11774404,11474332,11574377,11874400),以及中国科学院(XDB07020200)的支持。参与该工作合作研究的还包括德国奥格斯堡大学的P. Gegenwart教授团队,日本富山大学的Y.Isikawa教授,物理所杨义峰研究員、陈根富研究員、程金光研究員和张帅副研究員等。相关論文近日在线发表于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。


图一:CePdAl中压力诱导量子临界相的产生。(a) 温度-压力相图和电阻率的温度指数。(b) 通过参杂产生的化学压力表现出和静水压同样的结果,在量子临界相中具有发散的电子比热系数。(c) 电阻率的A系数和残留电阻对应两个临界压力,中间区域代表量子临界相。

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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