几类关联电子材料的强磁场物性研究

【摘要】得益于实验技术不断向更极端的条件推进,近年来,新奇的宏观量子态和量子现象不断在强关联电子体系的研究热潮中涌现出来。通过强磁场(-75T)及低温环境下(～0.3K)的电输运性质、磁性质及比热等性质的测量,本文系统地研究了重费米子化合物CeRhIn5及几种新型铁基超导体的物理性质,重点分析了重费米子材料中的磁场诱导的费米面拓扑结构的变化及其与磁性量子相变的关系,铁基超导材料的上临界磁场性质、磁通动力学行为,以及铁基超导母体材料中的磁性起源等重要物理问题,得出了一批具有重要意义的实验结果。通过测量脉冲强磁场下(～75T)的交流比热、dHvA效应以及DC混合磁体下(-45T)的Hall效应、磁矩测量,我们首次给出了重费米子材料CeRhIn5在磁场沿a-和c-轴时的磁场-温度相图,发现该化合物的反铁磁相变随外加磁场增加而逐渐被抑制掉,其量子临界点位于Bc0=50T；我们首次在反铁磁态内(B*≈30T)发现磁场诱导的费米面重构现象,该重构现象表现在dHvA频率和霍尔系数的突变,但在热力学量上没有发现相变；基于dHvA频率的测量及能带计算,并通过与LaRhIn5和CeCoIn5的费米面进行比较,我们指出CeRhIn5中磁场诱导的费米面重构可能来源于Ce的4f电子由于近藤效应而产生的局域-巡游转变。这些研究表明CeRhIn5存在一个磁场诱导的三维巡游量子临界点,它与先前报道的压力诱导的局域量子临界点截然不同,说明在重费米子化合物CeRhIn5中,不同的调控参量可能诱导出不同类型的量子临界点,而费米面的变化能有效地表征不同类型的量子临界点。这些实验现象的发现将对建立统一的量子相变理论和相图具有重要的促进作用。通过脉冲强磁场下的输运性质测量,我们系统地研究了不同系列的铁基超导材料的上临界磁场,主要包括LiFeAs,Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2,Ba(Fe,Co)2As2,(Sr,Na)Fe2As2等。与铜氧化合物高温超导体类似,这些铁基超导材料同样具有二维层状的晶体结构,但其上临界磁场均表现出较低的各向异性,不同于铜氧化合物高温超导。这说明铁基超导材料中,FeAs或者FeSe层间的耦合对超导性质可能具有重要影响。此外,我们还发现所有的铁基超导材料均表现出很高的上临界磁场Bc2(0)。铁基超导材料的上述独特性质表明该类材料不但具有丰富的物理性质,而且还具有潜在的应用前景。通过测量脉冲强磁场下的磁阻和Hall电阻,我们系统地研究几类铁基超导母体材料中的磁性相变和结构相变对磁场的响应,包括BaFe2As2、NaFeAs,LaOFeAs,得出了以下重要实验结论：(1)在我们所测量的磁场范围内(B<65T),该类材料的反铁磁相变基本不随磁场移动,表明该类材料中的d-电子可能呈现出局域行为；(2)铁基超导材料在结构相变以上具有很小的磁阻,但是在结构相变温度以下,所有研究的铁基超导母体材料均表现出明显的磁阻行为并且磁阻随温度的下降而增加；(3)在结构相变以上,Hall电阻较小并表现出线性行为。一旦低于结构相变温度,Hall电阻增加,且偏离磁场的线性依赖关系。这一现象表明,铁基超导材料的电子结构在结构相变附近发生了明显变化,同时还形成了较强的反铁磁涨落。这说明结构相变与磁性相互作用紧密相连。此外,这些实验结果还表明Fe的3d电子可能在结构相变点发生部分局域化并逐渐形成反铁磁序,说明铁基超导材料中的3d电子呈现出部分局域和部分巡游的“二元性”。
【作者】焦琳；
【导师】袁辉球；
【作者基本信息】浙江大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】重费米子化合物；铁基超导体；量子临界；上临界磁场；费米面；强磁场；

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