研究背景

溫度是自然科學領域中非常重要的一個物理量，在現(xiàn)代物理實驗尤其是凝聚態(tài)物理實驗中，改變溫度測量研究材料的物理相變特性已經成為了非常常規(guī)和必要的一種手段。隨著測量技術的不斷發(fā)展，越來越多的極低溫測量設備和測量手段變得觸手可及。

在1K以下，不斷接近于絕 對零度的過程中電子-聲子散射作用逐漸被抑 制，能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，對材料的本征物理特性的研究具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的領域。例如非常規(guī)超導體重費米子材料、自旋液體材料等引發(fā)的對BCS超導理論、強關聯(lián)電子電子復雜行為、量子阻挫行為的深入探討。

然而目前傳統(tǒng)的mK溫度下的測量手段仍然非常有限，在mK溫度的測量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，微弱的擾動都可能導致溫度的劇烈波動，使得電學輸運的研究手段成為了長久以來“唯 一”的選擇。人們也似乎很難將常規(guī)需要在探測線圈中移動樣品才能進行的磁學測量手段與mK極限低溫聯(lián)系起來。

研究簡介

近年來Quantum Design公司在極低溫測量領域的開發(fā)仍在不斷延伸，推出了基于MPMS3磁學測量系統(tǒng)的極低溫iHelium3氦三直流磁學測量組件和基于PPMS綜合物性測量系統(tǒng)稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件，成功實現(xiàn)了mK溫度區(qū)間的直流磁學和交流磁學的測量功能，是繼mK電學、熱學測量功能后補全的又一塊拼圖。在此極限低溫下對磁性的研究將有助于科研工作者對超導材料的抗磁特性、臨界電流、中間態(tài)能隙以及自旋玻璃材料自旋量子阻挫特性等進行深入的研究。

1.  極低溫下重費米子材料NdV2Al20的超導特性研究

富山大學並木孝洋教授課題組在0.5-2.5K范圍對重費米子材料NdV2Al20極低溫的超導特性進行了細致研究，除了采用常規(guī)的電學測量外，也使用MPMS系統(tǒng)的iHelium3選件對NdV2Al20材料在[001][101][111]三個方向的0.01T和0.1T背景場下的MT曲線進行了測試，并通過該數(shù)據(jù)對材料的Tc相變點進行了判定。

MPMS3 iHelium3選件測量NdV2Al20材料在[001][101][111]三個方向的MT直流磁化率曲線@0.01T&0.1T

【參考】T. Namiki, Q. Lei, Y. Isikawa, K. Nishimura, Possible Heavy Fermion State of the Caged Cubic Compound NdV2Al20. Journal of the Physical Society of Japan 85, 073706 (2016).

2.  Kagome 金屬 CsV3Sb5 的超導特性研究

中科院物理所科研團隊對籠目金屬CsV3Sb5的磁化率測量同樣利用了MPMS3的iHelium3選件，測量到了低至0.4K的直流磁化曲線，很好地符合了邁斯納效應的超導抗磁性線性關系。

Cs3Sb5單晶的等溫磁化強度和各向異性下臨界場研究。

【參考】S. Ni et al., Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV3Sb5. Chinese Physics Letters 38, 057403 (2021).

3.  極低溫下Al6Re鋁錸合金超導體相關性質研究

2019年復旦大學封東來、李世燕教授課題組合作通過MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機交流磁化率組件對Al6Re鋁錸合金一類超導體在超導轉變溫度附近的直、交流磁化率進行了測量。對該材料在不同穩(wěn)態(tài)背景磁場下的抗磁特性進行了分析，并根據(jù)M-H曲線在磁場超過臨界值Hc瞬間失超的特性進一步確認了其一類超導材料屬性。隨后又結合BCS理論對50mK-1K的交流磁化率數(shù)據(jù)的磁滯特性進行了細致分析。

MPMS3 iHelium3測量到的Al6Re在mK溫區(qū)的直流磁化率曲線MT、MH(@0.4K

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測量的Al6Re在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

【參考】D. C. Peets et al., Type-I superconductivity in Al6Re. Physical Review B 99, 144519 (2019).

4.  極低溫下NaYbO2超導體相關性質研究

加州大學圣巴巴拉分校Stephen D. Wilson研究團隊在mK溫區(qū)分別對NaYbO2量子有序態(tài)和無序態(tài)的交流磁化率進行了研究，并判定了有序和無序的臨界條件，相關成果發(fā)表在Nature Physics期刊上。

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測量的NaYbO2在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

【參考】M. M. Bordelon et al., Field-tunable quantum disordered ground state in the triangular-lattice antiferromagnet NaYbO2. Nature Physics 15, 1058-1064 (2019).

5.  極低溫下Yb2GaSbO7材料磁性相關研究

同樣是加州大學圣巴巴拉分校C. R. Wiebe研究團隊在對Yb2GaSbO7材料磁基態(tài)的研究中觀察到350mK的馳豫行為，并在隨后的頻率和交流磁化率依賴性無關的測量結果中推斷出該材料不存在傳統(tǒng)自旋玻璃態(tài)，并利用交流磁化率的高階諧波功能對相變機理進行了更深入研究。

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測量的Yb2GaSbO7在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

【參考】P. M. Sarte et al., Dynamical ground state in the XY pyrochlore Yb2GaSbO7. npj Quantum Materials 6, 42 (2021).

文末小結

MPMS和PPMS的極低溫磁學測量組件填補了極低溫mK溫區(qū)磁學測量的空白，結合主機系統(tǒng)的易用可靠的優(yōu)勢成功化解了諸多測量難題。截止2021年底，國內已安裝MPMS系統(tǒng)He3選件14套，稀釋制冷機交流磁化率組件6套，分布于北大、物理所、復旦、人大等多個頂 尖科研團隊，為超導、自旋液體、重費米子等關聯(lián)電子材料研究提供了更多的實驗手段，為具有阻挫磁性的籠目材料、二維van der Waals磁性材料和拓撲磁性材料等前沿熱點領域的極低溫量子現(xiàn)象探究提供了更多的測量平臺。