北京时间3月5日凌晨,Nature杂志在线发表了浙江大学关联物质研究中心、浙大物理系袁辉球团队在重费米子领域的最新研究成果,首次在纯净的重费米子化合物 CeRh6Ge4中发现铁磁量子临界点,并且观察到奇异金属行为。这一发现改变了人们普遍认为铁磁量子临界点不存在的观念,将奇异金属行为拓展到铁磁材料体系。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


论文审稿人一致评价:在纯净的重费米子材料中观察到铁磁量子临界点和奇异金属行为是一项重要的实验发现,这为研究量子相变开辟了一个新的方向,有助于揭示奇异金属行为的共同起源。


绝对零度,变!


当描述物质的变化时,科学家常用到一个词:相变。


相变是指当物质经过临界点时,从一种相转变成另一种相的过程。水在降温过程中固化为冰,金属铁在1043K以下转变为铁磁体,这些都是我们熟悉的相变。常见的相变都出现在有限温度,是体系内粒子相互作用与热运动竞争的结果。这类相变又叫经典相变,由热涨落驱动,具有普适的标度行为。到20世纪70年代,经典相变基本上可以由建立在对称性破缺、序参量涨落和重整化群基础上的Landau-Ginzburg-Wilson理论来描述。


那么,在绝对零度时是否还会发生相变?根据经典相变的观点,在绝对零度时热涨落已经被完全抑制,相变应该不再发生。然而,根据量子力学海森堡不确定性原理,微观粒子的动量和坐标不可能同时确定。因此,即使在绝对零度,粒子仍然具有“零点能”,存在量子涨落。类似经典相变中的热涨落,量子涨落同样可诱导量子相变,并且对有限温度的物理性质产生深远影响。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


图:量子相变示意图


近几十年,量子相变一直是凝聚态物理研究的一个重要前沿领域,人们在不同的材料体系中都观察到了量子相变。袁辉球说,“对于强关联电子体系,特别是重费米子化合物,由于其基态特征能量尺度较低,人们可以通过多种非温度参量对其基态进行连续调控,因而是研究量子相变和相关量子临界现象的理想材料体系”。


相比其他类型的量子相变,磁性量子相变受到了更广泛的关注。人们发现,反铁磁量子临界点出现在许多关联电子材料体系中。例如,在重费米子材料、铁基高温超导体和有机超导体等关联电子材料中,通过压力、磁场、掺杂等非温度参量调节电子的相互作用,反铁磁长程序可以被连续抑制到绝对零度,并且在量子临界点附近出现超导和奇异金属行为。然而,迄今为止,铁磁量子临界点的存在尚缺乏确凿的证据。“揭示量子相变的普适性,完善量子相变理论,探索量子临界点附近的新颖量子态仍是当前的重要课题。”袁辉球说。


寻找铁磁量子临界点


先前的理论与实验研究普遍认为,巡游铁磁体系不存在量子临界点。比如,在UGe2, MnSi,ZrZn2和 CeAgSb2等铁磁材料中,铁磁序要么经历一级相变而突然消失,要么转变为反铁磁序。另一方面,在铁磁体系中,无序效应对量子相变有着深远的影响。为了寻找铁磁量子临界点,探索相关的奇异量子现象,袁辉球团队在近10年的努力中尝试了多种材料体系,不断提升样品质量,并且发展了极端条件下的新型物性测量方法。


研究团队将重点放在含有局域电子的低维重费米子量子临界材料中。重费米子体系是一类典型的强关联电子体系,随着温度的降低,局域的 f-电子通过近藤效应与导带电子杂化而形成复合费米子,其电子有效质量可高达自由电子的上千倍,“重费米子”因此得名。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


图:CeRh6Ge4的晶体结构及铁磁性质


在系统研究了几类不同结构的铁磁化合物之后,他们发现具有准一维晶体结构的近藤晶格化合物 CeRh6Ge4 是研究铁磁量子临界点的理想体系。“让人感到惊喜的是,我们第一次在纯净的近藤晶格体系中发现了铁磁量子临界点存在的确凿实验证据。”袁辉球团队展示了他们的最新研究发现。


为了避免元素替换引起的无序效应,袁辉球团队采用压力作为一种纯净的调控手段。通过极端条件下的电阻、比热、磁化率等多种物性测量,他们发现 CeRh6Ge4 的铁磁序随着压力的增加而逐渐被抑制掉,在较低的压力下(pc»0.8GPa)出现铁磁量子临界点。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


图:CeRh6Ge4的压力-温度相图及可能的物理图像


论文第一作者,博士生沈斌说,“极端条件下的物性测量手段非常有限并且极具挑战性。能在这么低的压力下发现铁磁量子临界点,这为深入研究铁磁量子临界点附近的物理性质提供了方便,有助于我们认清其物理本质。”


奇异金属行为


在铜和铝等普通金属中,电子间的库伦排斥力较弱,可以把电子当作近自由的电子气,其低温物理性质可以通过朗道提出的费米液体理论来描述,如电阻与温度的平方成正比,电子比热除以温度是一个常数。在重费米子材料CeRh6Ge4 的铁磁量子临界点两端,电阻和比热仍遵循费米液体行为,但电子比热系数或者有效质量在铁磁量子临界点趋于发散。而在铁磁量子临界点,该材料的低温电阻正比于温度,比热系数对数发散,明显偏离朗道费米液体理论。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


图:量子临界点附近的奇异金属行为


袁辉球说,“这种奇异金属行为,先前出现在铜基高温超导体和部分反铁磁重费米子化合物的量子临界点,是困惑物理界的一大难题。现在,在铁磁量子临界点附近也观察到了类似的奇异金属行为,说明这可能是一种普遍的量子现象。”据了解,量子临界点附近的奇异金属行为与超导紧密相关,理解好正常态的奇异金属行为,也将有助于认识高温超导等非常规超导的形成机理。


在论文中,袁辉球教授还与美国罗格斯大学的 Piers Coleman 教授合作,对实验现象提出了一种可能的理论模型。他们认为,由于磁的各向异性,在铁磁态中出现了一种具有量子纠缠效应的自旋对,即自旋三重态共振价键(triplet resonating valence-bond (tRVB)),其占比随压力的增加而增加。在铁磁量子临界点,由于近藤效应的作用,与tRVB 态相关的局域磁矩被分数化为带负电的重电子和带正电的近藤单态背底,导致费米面的突然增加和奇异金属行为。


Nature!浙大首次在纯净重费米子化合物中发现铁磁量子临界点


图:袁辉球团队部分成员


该项工作的参与单位包括浙江大学关联物质研究中心/物理系、美国罗格斯大学物理与天文系、德国马普固体化学物理研究所和英国伦敦大学(Royal Holloway)物理系。浙江大学博士生沈斌和张勇军为论文共同一作,浙江大学袁辉球教授和 Michael Smidman 研究员(校百人计划研究员)以及罗格斯大学/伦敦大学的 Piers Coleman 教授为共同通讯作者。袁辉球教授为该项目的负责人,设计并领导了整个项目。


更多详情, 请阅读原文:Bin Shen, Yongjun Zhang, Yashar Komijani, Michael Nicklas, Robert Borth, An Wang, Ye Chen, Zhiyong Nie, Rui Li, Xin Lu, Hanoh Lee, Michael Smidman, Frank Steglich, Piers Coleman, and Huiqiu Yuan,Strange metal behavior in a pure ferromagnetic Kondo lattice, Nature 579, 51-55 (2020).


文章来源: 研之成理

免责声明

我来说几句

不吐不快,我来说两句
最新评论

还没有人评论哦,抢沙发吧~