Ce 基重费米子材料的电子态研究与维度调控

重费米子材料作为一类典型的强关联电子体系,蕴含着非常规超导、奇异金属、量子临界、 磁有序、重电子态、关联拓扑态等新奇的量子态,而4f 电子在其中扮演着重要的作用。随着高分 辨角分辨光电子能谱和薄膜生长技术的发展,精确探测重费米子材料中4f 电子在能量/动量空间 的色散和谱权重成为了可能,这为从微观上理解这类材料中的电子关联效应和新奇量子现象提供 了重要的基础。本论文总结了几个典型的重费米子单晶和薄膜体系的电子态研究,包括Ce-115 体 系、CeCu2Si2、CeRh6Ge4 以及单晶 Ce 膜等。这些结果为理解重费米子体系中重电子态的形成 和温度演化、近藤杂化的能带/动量依赖、重电子能带与超导的关系、近藤效应与磁性和其它量子 态的竞争、4f 电子的维度调控等重要物理问题提供了谱学证据。     

通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z_2规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体α-RuCl_3被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl_3为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。     

重费米子材料与物理

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等.相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系.本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状,概述几类典型的重费米子材料,并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.     

量子自旋液体的实验研究进展

量子自旋液体是指由于其中存在的强量子涨落导致自旋即使在零温极限下也不形成磁有序的一种新的自旋量子态。区别于传统的磁有序材料,它的基态没有确定的序参量来表示,并且不伴随任何自发的对称性破缺,超越了朗道相变理论所能描述的物相范畴,代表了一种新奇的量子物态,具有非常高的理论研究价值。这一全新的物态被认为与非常规超导机制之间有着十分紧密的关系。同时在未来的量子计算方面有着非常诱人的应用前景,因此一直以来备受关注。虽然量子自旋液体理论经过近半个世纪的积淀有了长足的发展,但是由于候选材料稀少,实验测量条件苛刻等多种因素制约,导致实验方面的进展相对缓慢。近年来各项实验技术的进步和成熟为量子自旋液体候选材料的测量表征提供了有利条件,加快了实验工作的推进速度。本文将从实验的角度介绍 (1) 几何阻挫量子自旋液体候选材料,包括三角晶格化合物 YbMgGaO量子自旋液体是指由于其中存在的强量子涨落导致自旋即使在零温极限下也不形成磁有序的一种新的自旋量子态。区别于传统的磁有序材料,它的基态没有确定的序参量来表示,并且不伴随任何自发的对称性破缺,超越了朗道相变理论所能描述的物相范畴,代表了一种新奇的量子物态,具有非常高的理论研究价值。这一全新的物态被认为与非常规超导机制之间有着十分紧密的关系。同时在未来的量子计算方面有着非常诱人的应用前景,因此一直以来备受关注。虽然量子自旋液体理论经过近半个世纪的积淀有了长足的发展,但是由于候选材料稀少,实验测量条件苛刻等多种因素制约,导致实验方面的进展相对缓慢。近年来各项实验技术的进步和成熟为量子自旋液体候选材料的测量表征提供了有利条件,加快了实验工作的推进速度。本文将从实验的角度介绍(1)几何阻挫量子自旋液体候选材料,包括三角晶格化合物YbMgGaO_4和YbZnGaO_4、κ-(BEDT-TTF)_2Cu_2(CN)_3、EtMe_3Sb[Pd(dmit)_2]_2和kagome格子化合物ZnCu_3(OH)_6Cl_2;(2)Kitaev量子自旋液体候选材料铱氧化物(Na_2IrO_3与α-,β-,γ-Li_2IrO_3)和α-RuCl_3。文章将着重介绍近年来在量子自旋液体实验方面的进展,之后做一个简单的总结,最后对量子自旋液体的未来发展做一个展望。     

压力环境下重费米子体系的物性探索

@@@@重费米子体系是近藤晶格中的强关联电子系统,它由于电、磁等相互作用的竞争呈现出丰富的电子基态,而且由于各种相互作用的能量尺度较小,它会对外界参量(压力、掺杂、磁场)的调控比较敏感。文章论述了重费米子体系的基本性质和它在压力环境下的物性演变以及相关的量子临界现象。超导态一般会出现在量子临界点附近,文章特别以“115”超导体系为例,讲述了超导态与其他长程序共存时可能出现的纹络化结构,介绍了如何运用压力下的谱学测量(如转角比热、软点接触隧道谱)来研究压力下重费米子体系的物性特别是超导序参量的对称性。     

有限温度张量重正化群方法及其在阻挫量子磁性研究中的应用

阻挫量子磁体中的新奇物态与效应是凝聚态物理研究的重要前沿方向,因其与高温超导、拓扑量子计算等的密切联系,近年来吸引了人们浓厚的研究兴趣。实验上,阻挫自旋液体候选材料的 新进展层出不穷,人们系统地研究了若干三角晶格、笼目晶格和六角Kitaev 阻挫磁体等材料,发 现其在一定条件下展现出自旋液体态的特征,但澄清其中的量子物态是充满挑战的量子多体问题。 作者最近的工作指出,可以从有限温度张量重正化群多体计算入手,开展热力学性质的精确计算 与分析,确定阻挫磁体的微观自旋模型,做出进一步理论预言并开展实验验证,从而建立量子磁性 系统的多体计算精确研究方案。有限温度张量重正化群方法是计算大尺寸二维阻挫量子自旋模型 有限温度性质的有力工具,在本文中作者首先介绍新近发展的系列张量重正化群方法,包括线性 和指数张量重正化群等。随后,作者讨论有限温度张量方法在三角晶格量子伊辛磁体TmMgGaO4 和六角晶格Kitaev 磁体α-RuCl3 的微观自旋模型中的具体应用：通过高精度和全面的多体计算, 揭示出其中存在演生U(1) 对称性与拓扑相变,以及高场量子自旋液体态等新颖的结论,这些理 论预言也陆续被实验所证实。通过上述实例,作者展示了有限温度张量重正化群计算方法在自旋 液体候选材料研究中的应用价值,并期待这些方法能在强关联量子物质研究中发挥重要作用。     

阻挫诱导的亚铁磁性Heisenberg系统中的量子相变

利用密度矩阵重整化群(DMRG)方法研究磁性阻挫对一种S=1/2准一维反铁磁自旋链但却具有亚铁磁性的Heisenberg系统基态的影响.计算了单个晶胞的基态能、自旋关联函数以及自旋能隙.研究表明这种Heisenberg自旋系统的基态随着阻挫α的增强将从磁有序相变化到自旋无序相,并且伴随着自旋能隙的出现,量子相变点为α≈0.412.同时线形链上格点间自旋长程关联值的计算结果表明在磁有序区间体系的磁有序性质随着α的增强而减弱,阻挫在0≤α< 关键词： 准一维反铁磁自旋链 亚铁磁性 密度矩阵重整化群 自旋能隙     

阻挫诱导的亚铁磁性Heisenberg系统中的量子相变

利用密度矩阵重整化群(DMRG)方法研究磁性阻挫对一种S=1/2准一维反铁磁自旋链但却具有亚铁磁性的Heisenberg系统基态的影响.计算了单个晶胞的基态能、自旋关联函数以及自旋能隙.研究表明这种Heisenberg自旋系统的基态随着阻挫α的增强将从磁有序相变化到自旋无序相，并且伴随着自旋能隙的出现，量子相变点为α≈0.412.同时线形链上格点间自旋长程关联值的计算结果表明在磁有序区间体系的磁有序性质随着α的增强而减弱，阻挫在0≤α<     

磁体“沙漠”中的月牙泉——量子自旋液体

当温度趋于零时,如果阻挫自旋系统不呈现长程磁序也不破缺晶格对称性,而且其低能物理性质表现出分数化的量子特征,这种状态称为量子自旋液体态。量子自旋液体随着高温超导的发现而被大量研究,它超越了朗道对称自发破缺的理论框架,并促进了拓扑序理论的发展,其分类理论是以投影对称群为代表的现代数学工具。量子自旋液体中的元激发是分数化的自旋子和演生规范场的光子或量子化磁通,有能隙的量子自旋液体可应用于拓扑量子计算。研究量子自旋液体的理论工具还包括严格可解格点模型、各种不同的数值计算方法和量子场论等。实验上,三角晶格、笼目晶格、六角晶格甚至三维格点系统中的量子自旋液体候选材料相继被发现和深入研究,探测手段包括核磁共振、中子散射、热输运等,调控方法包括高磁场、高压强等。确切的量子自旋液体材料的寻找仍在持续进行中,近些年发展尤其迅速。中国研究人员做出了很多努力,并在部分方向上逐步开始起引领作用。量子自旋液体是一个充满困难和挑战的研究领域,也是一个充满魅力和活力的领域。     

稀土元素三角格子体系中的阻挫磁性与量子涨落

稀土元素三角格子阻挫体系在近几年受到了广泛的关注,稀土元素中存在较强的自旋轨道耦合作用,容易形成各向异性的磁相互作用,结合复杂的晶体场结构,可以产生很多新奇的物理性质,实现包括量子自旋液体、内禀量子伊辛磁体和隐藏序在内的一系列新奇量子态。文章以最近的中子散射研究为例,介绍稀土元素三角格子体系中的新奇磁关联与量子涨落现象。     

新几何阻挫物质M2(OH)3X的新颖量子磁性——磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2（OH）3X[M==Cu,Co,Ni,Mn,Feetc．;X=C1,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

新几何阻挫物质M_2(OH)_3X的新颖量子磁性———磁有序和涨落在均匀自旋系的共存

几何阻挫引起诸多的未知新颖量子状态,这些新颖量子相的理解预计将带来物理学的突破。笔者通过材料科学研究,偶然发现了新型几何阻挫系列M2(OH)3X[M=Cu,Co,Ni,Mn,Fe etc.;X=Cl,Br,I]。它们初步展示了新颖的磁性,虽然这些物质是由单一磁性离子组成的均匀晶体,在这些化学均匀系中自旋的有序[如铁磁或反铁磁秩序]和自旋涨落同时共存。因为d电子磁性离子的量子性,本物质系列提供了研究几何阻挫引发的新颖量子特性的绝好舞台。本文综合介绍我们在这一方面最近取得的主要成果。他山之石可以攻玉,新材料的发现往往会带来物理学的新进展,本文同时也例证了材料科学对凝聚态物理的重要性。     

量子自旋液体候选材料的缪子自旋弛豫研究

量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落,直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述,并且缺少对称性破缺,因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理,并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前,尽管理论上有了长足的发展,但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此,探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术,被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序,测量系统中的涨落频率,这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术,回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果,特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜）,三角格子（YbMgGaO4,NaYbO2 和TbInO3）,笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14],蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3）,以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7,Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。     

重费米子超导理论和材料研究进展

重费米子超导体是一类典型的强关联和非常规超导系统,超导的产生与量子临界涨落有着紧密的关系.在实际材料中,不同结构体系的重费米子超导体往往表现出非常不同的竞争序和超导性质,表明f电子的行为对材料的结构特征具有敏感依赖性.特别是最近几年的超导实验研究,表明具体材料的实际电子结构对重费米子超导的性质具有重要影响.本文将简要介...     

重费米子超导与竞争序

与其他非常规超导系列相比, 重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序, 超导与各种竞争序相伴而生, 电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关, 扩充了非常规超导的研究内容. 重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成, 表现出局域与巡游的二重性. 重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.     

高压调控的磁性量子临界点和非常规超导电性

通过化学掺杂或者施加高压等调控手段抑制长程磁有序可以实现磁性量子临界点,在其附近往往伴随出现诸如非费米液体行为或者非常规超导电性等奇特物理现象.相比于化学掺杂,高压调控具有不引入晶格无序和精细调控等优点.利用能提供良好静水压环境的立方六面砧和活塞-圆筒高压低温测量装置,首先系统研究了具有双螺旋磁有序结构的CrAs和MnP单晶的高压电输运行为,分别在P_c≈0.8 GPa和8 GPa实现了它们的磁性量子临界点,并在P_c附近分别观察到T_c=2 K和1 K的超导电性,相继实现了铬基和锰基化合物超导体零的突破;然后,详细测量了FeSe单晶高压下的电阻率和交流磁化率,绘制了详尽的温度-压力相图,揭示了电子向列序、长程反铁磁序和超导相之间的相互竞争关系,特别是在接近磁有序消失的临界点P_c≈6GPa附近观察到T_c~(max)=38.5K的高温超导电性,表明临界反铁磁涨落对FeSe中的高温超导电性起重要作用.     

重费米子二流体理论

强关联电子同时表现出局域和巡游的二重性,这是量子力学波粒二象性在凝聚态物理领域 的表现,也是导致强关联材料中各种新奇量子效应的根源。本文以重费米子材料为例,探讨强关 联f 电子在该类材料中局域和巡游二重行为的实验表现,重点介绍重费米子的二流体唯象理论。 这一理论成功解释了众多先前无法解释的实验现象,揭示了重费米子体系复杂行为背后的统一物 理起源,为理解强关联系统包括铜氧化物和铁基超导材料中电子的奇异行为提供了一种新的思 路,亟待更加深入的理论和实验探索。     

二维正方晶格Compass-Ising模型的方向序和磁有序（英文）

采用Monte Carlo方法研究二维正方晶格Compass-Ising模型的低温性质.通过调节过渡参量,计算了阻挫对方向序和磁有序的影响.结果表明,阻挫的增加,易于形成方向序,同时会抑制磁有序.当阻挫足够强时,磁有序将被破坏.方向序和磁有序间的转变是一个逐渐过渡的过程,并不存在明显相变.     

二维正方晶格Compass-Ising模型的方向序和磁有序

采用Monte Carlo方法研究二维正方晶格Compass-Ising模型的低温性质.通过调节过渡参量 ,计算了阻挫对方向序和磁有序的影响. 结果表明,阻挫的增加,易于形成方向序,同时会抑制磁有序. 当阻挫足够强时,磁有序将被破坏. 方向序和磁有序间的转变是一个逐渐过渡的过程,并不存在明显相变.     

非弹性中子散射在稀土钙钛矿研究中的应用

中子散射技术在科学研究中应用的重要性、独特性源自于中子本身的一些基本物理特点:带自旋、不带电荷、与原子核直接发生强相互作用、恰当的质量使其色散关系与一般物质内部的原子振动和磁性振动的元激发相当,以及可用于无损探测的强穿透性等。这些特点决定了中子散射探测技术在科学研究中无可替代的重要地位。经过多年发展,中子散射技术已经成为研究凝聚态物理中材料晶体结构以及磁结构的主要手段。此外由于中子的能量与物质中的元激发,如声子,磁振子等能量相当,中子散射也是研究物质动力学性质不可替代的关键技术。对于磁性材料来说,非弹性中子散射不仅可以研究对称性破缺下磁有序相的自旋波激发,而且可以直接探测无对称性破缺情况下的自旋关联。这对于研究磁阻挫等量子磁体中新奇的量子化自旋激发尤其重要。文章将主要介绍两种常用的非弹性散射谱仪,并结合最近在稀土钙钛矿结构体系中的具体应用,尤其是低维稀土自旋链中的分数化自旋子的激发,重点介绍非弹性散射技术的特色。