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中科院等发现自旋阻挫重费米子体系中的量子临界相

2019-12-02 18:31:19
重费米子材料是量子临界行为研究的理想体系。在该类体系中,自旋阻挫引起的量子涨落会破坏长程磁有序,并可能导致绝对零度下的自旋液体等新奇物态。在具有金属行为的重费米子体系中引入自旋阻挫,将增强低温下的量子

根据中国科学院网站10月14日的信息,当二次相变被非温控外部参数持续抑制到接近绝对零度时,系统将经历量子相变。发生量子相变的临界点,即量子临界点,是位于绝对零度以下的外参量轴上的点。它通常可以通过调节压力、磁场和其他方式获得。量子相变不同于有限温度下由热涨落控制的相变。其物理本质是基于海森堡测不准原理的量子涨落行为。量子相变在重费米子、非常规超导、量子自旋和冷原子等不同系统中得到广泛而深入的研究。这是产生奇怪集体激发模式和新物理性质的重要途径。特别重要的是,尽管量子临界点出现在绝对零度附近,但其相关的量子波动会深刻影响有限温度下的物理行为。许多非常规物理性质,包括高温超导性,可能与量子临界涨落密切相关。

重费米子材料是研究量子临界行为的理想系统。在这种材料中,传导电子和局部f/d电子之间的能带杂交产生近藤效应(Kondo effect),从而屏蔽了局部磁矩。同时,局部磁矩之间存在rkky间接交换相互作用,导致磁矩的稳定并趋向磁序。这两个相互矛盾的物理过程在重费米子材料中相互竞争,导致量子临界甚至非常规超导性。另一方面,自旋挫折效应的研究主要集中在绝热量子自旋系统上,这是凝聚态物理的另一个重要研究方向。在这种系统中,自旋倒退引起的量子涨落将破坏长程磁序,并可能导致自旋液体处于绝对零度的新状态。将自旋挫折引入具有金属行为的重费米子系统将增强低温下的量子涨落,并与导电电子介质的长程rkky交换相互作用竞争。此时系统的量子临界行为将如何演化是一个重要的基本物理问题。

近日,《自然物理》杂志发表了赵恒灿博士、张家豪等孙培杰团队的合作研究成果,博士生、莱斯大学的q. si教授和马克斯·普朗克研究所的f. steglich教授、中国科学院物理研究所ex9组研究员/北京凝聚态物理国家研究中心。他们发现,当重费米子系统的近藤晶格(Kondo lattice)位于受抑的戈薇晶格中时,系统会通过磁场和压力调节,在压力磁场的相图中产生一个范围很广的稳定量子临界相。电阻率、磁化率和压力比热的测量表明,自旋受挫引起的量子涨落是量子临界相产生的主要原因。不同于其他种类材料中常见的量子临界点,相图空间中大面积量子临界相的发现表明由量子涨落引起的物质稳定新态的产生。同时,研究小组还发现量子临界相具有奇怪的物理性质,如非费米液体。

本研究关注的重费米子材料cepdal具有变形的戈薇受抑结构。自旋回退在很大程度上降低了材料的反铁磁有序化温度,并在磁有序化温度以上形成强的短程自旋相关,显示出磁化率的宽峰值。通过构建极低温度下材料的磁场、压力和温度的三维相图,研究小组发现,在反铁磁序被磁场或压力抑制后,材料没有进入非磁性重费米子态,而是在很宽的压力和磁场范围内形成了量子顺磁性态。这种状态有局部磁矩,但在绝对零度附近没有长程磁序,这是金属自旋液体的特征。不同于传统的量子临界点,这种由绝对零度下的量子涨落引起的区域称为量子临界相。如果压力或磁场持续增加,量子临界相可以被抑制,系统经历局部巡航跃迁并进入重费米子态。这一发现对于探索和理解量子涨落引起的非常规金属行为具有重要意义。

自然-物理学还同时发表了德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的阿琳·拉米雷斯博士(Dr. aline ramires)撰写的题为《挫折可以是批判性的》的评论,详细回顾了这项研究工作的物理意义。

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