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浙大袁辉球课题组在重费米子物理研究方面取得重要进展

发布时间:2015-02-04

15日,《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 简称PNAS)在线发表了浙江大学关联物质研究中心/物理系袁辉球教授课题组及其合作者的研究成果。通过极强磁场条件下的低温输运、比热以及磁学性质研究,他们首次在重费米子化合物CeRhIn5中发现两类不同的量子相变,并指出费米面的重构可以用来区分理论上提出的不同类型的量子临界点。该发现为建立量子相变理论提供了新的实验依据,论文审稿人指出“This work will impact the heavy fermion society".

重费米子主要存在于一些含有镧系和锕系元素的金属间化合物。在这些材料中,局域的f-电子与周围的巡游电子杂化而形成一种复合费米子,其电子有效质量可高达自由电子的上千倍,因而又称重费米子。重费米子体系中存在多种相互竞争的作用力,其能量尺度较低并且大小相当,因而可以通过压力和磁场等外界参量对其基态进行有效调控,从而呈现出非常丰富的物理性质,是研究非常规超导、量子相变以及非费米液体行为等量子现象的理想体系。

经典的热力学相变具有普适标度性,其临界行为不依赖于具体材料或者相变类型,可通过序参量的涨落来描述。然而,对于近年来引起广泛关注的发生在绝对零度的量子相变,其量子临界点是否表现出与经典相变类似的普适标度行为仍是未解之谜。为了解释不同重费米子体系中的量子临界行为,人们提出了不同的量子相变理论,怎样来表征和归类不同类型的量子临界点对建立统一的量子相变理论至关重要。

通过申请美国佛罗里达州立大学和拉斯阿拉莫斯国家实验室的强磁场测量时间,袁辉球教授课题组及其合作者系统地测量了重费米子反铁磁材料CeRhIn5在稳态强磁场(高达45特斯拉)以及脉冲强磁场(高达75特斯拉)条件下的低温比热、dHvA量子振荡以及霍尔效应。他们首次报道,CeRhIn5在临界磁场Bc0»50T时存在一个磁致反铁磁量子临界点。在外加磁场的诱导下,他们发现该体系在反铁磁态内(B0*»30T)发生了费米面的突变,从费米面变成费米面,但在量子临界点Bc0»50T,费米面没有明显变化。通过与能带结构计算以及重费米子超导体CeCoIn5的费米面进行比较,他们还发现该磁致费米面的重构对应于4f-电子的局域-巡游转变,是近藤效应产生的结果。这种费米面的突变是传统的量子相变理论所不能解释的。结合先前的文献报道,即CeRhIn5在压力诱导的量子临界点处发生费米面的突变,他们指出CeRhIn5至少存在两类不同的量子临界点,并且可以根据费米面的变化特征来进行分类。这是首次在同一化合物中,通过磁场和压力等参量进行调控而得到不同类型的量子临界点,对完善量子相变理论,建立绝对零度下的多参量相图(global phase diagram)提供了重要实验依据。此外,该项研究还对理解磁性非常规超导的形成机理具有重要的借鉴意义。

该工作的部分研究结果还曾以研究亮点的形式入选美国国家强磁场实验室的年度报告(MagLab Reports: The 2013 Highlight Issue)。美国强磁场实验室作为目前世界上最先进的强磁场用户实验室,每年都会从众多的用户测量结果中筛选少数最重要的研究成果并以Highlight专辑的形式进行介绍,是国际上最重要的强磁场研究成果。作为该项目的后续研究,袁辉球教授正在同国内外的多个强磁场实验室进行密切合作,系统而深入地研究CeRhIn5在强磁场、高压以及低温等综合极端条件下的奇异物性,探索多种参量调控下的量子相变演化,并将其推广到其它重费米子材料或者过渡金属材料,致力于寻找强关联电子体系中量子相变的普适规律,为建立量子相变理论提供实验证据。

该项研究由浙江大学关联物质研究中心/物理系袁辉球教授牵头负责,美国拉斯阿拉莫斯国家实验室、佛罗里达州立大学、莱斯大学,韩国成均馆大学以及德国马普固体化学物理研究所等单位联合参与完成。该研究受到国家自然科学基金委、科技部、教育部以及浙江省自然科学基金等项目的资助。

(来源:浙江省科技厅  作者:省自然科学基金办)

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