铈基强关联电子材料中的超导、磁性与量子相变研究

【摘要】新颖的量子态和与之相关的量子相变是当前凝聚态物理研究的热点问题。在强关联电子体系中,d电子和f电子间的相互作用可以导致非常丰富的物理现象,例如磁性、重费米子、超导电性、量子相变、Kondo绝缘体以及非费米液体行为等。铈基化合物是重要的强关联电子体系,其基态性质通常由Kondo效应和RKKY相互作用竞争而决定。通过掺杂、压力或者磁场等外部参量来调节d电子和f电子间的相互作用,人们可以有效地调控关联电子材料的基态性质,从而产生丰富的物理相图。本论文主要探索和制备了几类不同的铈基材料,包括铈基磷族类化合物和重费米子材料,研究了这些材料中由d电子和f电子相互作用而产生的独特物理现象,包括超导、磁性以及量子临界行为等。本论文的研究主要集中在以下五类不同的铈基材料：(1)CeFe1-xCoxAsO和GdFe1-yCoyAsO中3d-4f电子间的相互作用研究。这两个体系代表了完全不同的4f电子磁矩系统。随着温度降低,CeFeAsO和GdFeAsO都经历了结构相变并伴随着Fe3d电子的自旋密度波(SDW)转变。通过Co/Fe的替换,结构相变和Fe的SDW转变很快被抑制,超导出现在很窄的掺杂范围内：0.05<x<0.2(Ce)和0.05<y<0.25(Gd),最高超导转变温度分别为13.5K(Ce)和19K(Gd)。在整个掺杂范围内,稀土4f电子在低温都形成了反铁磁序(AFM),而Co3d电子在靠近Co端却形成了铁磁序(FM),其居里温度在x=1和y=1都达到了TCC0≈75K。在Ce基材料中,当Fe的SDW转变被抑制,4f电子的奈尔温度TNCe有所升高；但随着Co含量的进一步增多,TNCe基本不变(TNCe≈4K);而在x>0.8时,Co的铁磁性对Ce的磁矩有很强的极化效应。在Gd基材料中,Gd和Co磁矩间的反铁磁耦合导致了Co端材料形成了亚铁磁结构。当0.7≤y<1时,体系在Gd的AFM态内(T<TNGd)还经历了磁重新取向的相变。这些实验结果表明,在稀土铁磷族化材料中,d-f电子间的杂化和磁交换耦合作用产生了丰富的物理相图。(2)CeCoAs1-xPxO的化学压力效应研究。在CeCoAsO中,Co3d电子形成长程FM序,居里温度为TCCo≈75K;而Ce4f电子在低温形成长程AFM序,其奈尔温度TNCe≈6.5K。随着P/As的化学替换,Co的FM序对化学压力非常不敏感,其居里温度在整个掺杂范围内基本不变；类似地,Ce的奈尔温度TNCe在x<0.9的范围内基本不随x变化；但在x≥0.9时,Ce的AFM序消失,.体系在低温呈现出重费米子态。另外,在整个掺杂区间内没有观测到超导电性。P/As的替换相当于化学压力,有效地增强了Ce4f电子和Co3d电子间的杂化效应,从而导致了低温电子比热系数的发散和Ce-AFM序的消失。这些实验结果表明,在CeCoAs1-xPxO体系中,在x=0.9附近可能存在与f电子相关的量子相变。(3)CePd2As2-xPx中的磁性转换。CePd2As2-xPx具有ThCr2Si2类型的晶体结构,其中CePd2As2在TN≈15K经历了AFM相变,并且显示了中等大小的电子比热系数γ=88mJ/molK2。随着P/As的化学替换,在x≤0.6时,TN基本不随x变化；而在x≈0.4附近,FM序在T<TN时逐渐形成,其居里温度随着x的增大而逐渐升高；FM相变在x≈0.6与AFM相变重合。随着x的进一步增大,材料显示了典型的FM行为,其居里温度也逐渐升高,并在CePd2P2中达到了28K。另外,在靠近As端的样品中还观测到了变磁相变；但是在x≥0.4时,变磁相变又消失了。CePd2P2的FM相变可以通过Ni/Pd的化学替换被逐渐抑制,Ni端的材料显示了非费米液体行为和重费米子态。CePd2As2-xPx中易调控的磁性基态给我们提供了研究量子临界行为的良机。(4)CePd3As2的反铁磁序及磁致非费米液体行为研究。CePd3As2形成单斜的晶体结构,具有两个不同的Ce格点,并且在TN≈2.2K经历了反铁磁相变。在奈尔温度之上,它显示了中等大小的电子比热系数γ=63.5mJ/molK2。在外加磁场的作用下,电阻和比热在TN处的转变变弱,奈尔温度TN逐渐向低温移动；在μ0H=9T的磁场下,比热在1.7K仍旧显示了微弱的相变。另外,在AFM态内,Ce4f电子的磁矩在外加磁场作用下重新取向。在2T≤μH≤6T的磁场范围内,电阻,磁化率和比热上都显示了某种非费米液体行为。(5)重费米子化合物CeIrIn5的超导与磁性研究。CeIrIn5是一个典型的重费米子超导体,但其超导配对机制一直具有很大的争议,缺乏直接的实验证据。为了澄清这一重要的物理问题,通过化学掺杂和多种常规物性测量,我们详细地研究了CeIrIn5中的超导与磁性相互作用。通过比热和电阻的测量,我们发现Hg/In的空穴掺杂可以导致反铁磁基态的形成;而Sn/In或者Pt/Ir的电子掺杂在抑制了超导之后,体系进入了费米液体基态。体系在超导相附近显示了锥形的非费米液体区域,并且在微量Hg掺杂区域电子有效质量发散。通过化学替换得到的掺杂-温度相图说明CeIrIn5处在反铁磁量子临界点附近,它的重费米子超导电性应该来自磁量子涨落而非先前受到广泛关注的价态涨落。
【作者】商恬；
【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】铈基强关联电子材料；磁性；超导；量子相变；

【参考文献】
[1]邓丽君.《四个四重奏》中自然意象的多维解读[D].西安电子科技大学,英语语言文学,2012,硕士.
[2]崔长黎.中信银行甘肃分行信贷结构调整策略研究[D].兰州大学,金融,2014,硕士.
[3]汤玮.急性ST段抬高型心肌梗死急诊PCI术前负荷剂量阿托伐他汀治疗长期疗效观察[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[4]潘北平.润滑油企业新产品开发管理流程研究[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[5]梁婷婷.高尔夫球爱好者运动损伤致因及预防的研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[6]华中杰.面向海量数据的MapReduce本地优先作业调度策略研究与实现[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[7]段汝欣.目的论在蓝诗玲英译《阿Q正传》中的体现[D].沈阳师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[8]陈贵华.辣椒优良自交系配合力测定、纯化及品种选育[D].内蒙古农业大学,蔬菜学,2004,硕士.
[9]郭晖.论托妮·莫里森小说中的异化[D].南京师范大学,比较文学与世界文学,2012,硕士.
[10]李永泽.1850铝热初轧机轧制规程的设计与优化[D].燕山大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[11]李倩倩.不同民族系统性红斑狼疮患者的临床特点[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[12]于萌.中国城市形象建设中的政府职能研究[D].大连理工大学,行政管理,2004,硕士.
[13]樊冬.取代四甲基环戊二烯基或茚基金属羰基化合物的合成与反应性研究[D].河北师范大学,有机化学,2014,硕士.
[14]薛晓锋.紫花苜蓿再生体系及遗传转化的研究[D].河南科技学院,作物遗传育种,2012,硕士.
[15]宋文.山西榆次后沟古村落景观研究[D].北京林业大学,城市规划与设计,2013,硕士.
[16]张九岭.Nostotrebin 6的合成研究[D].西北大学,有机化学,2014,硕士.
[17]李军远,陈宏钧,张晓华,邓宗全.基于信息融合的管道机器人定位控制研究[J].控制与决策,2006,06:661-665.
[18]姚兴华.北店子引黄水闸安全鉴定技术研究与应用[D].山东大学,水利工程（专业学位）,2013,硕士.
[19]武立甲.基于WEB的PLC远程监控系统的研究[D].太原科技大学,控制工程,2013,硕士.
[20]蔡文胤.公共产品供给：乡镇政府职能转变研究[D].苏州大学,行政管理,2012,硕士.
[21]周浩.基于光楔姿态与条纹分析的多自由度运动误差的测量方法[D].湖北工业大学,精密仪器及机械,2013,硕士.
[22]房洁,代建周,晁玉方,杜同爱.区域人力资源开发指标体系实证研究——以山东省为例[J].齐鲁工业大学学报(自然科学版),2015,01:94-98.
[23]柴国琳.区域供热燃气锅炉房系统优化分析[D].北京建筑大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[24]杨梅.吕梁市城市居民住房需求研究[D].山西财经大学,社会保障,2014,硕士.
[25]崔永利.基于参数化技术的化工专业自动图库系统研究与实现[D].哈尔滨理工大学,计算机应用技术,2003,硕士.
[26]俞海珍,李宪章,冯浩.基于红外线的图像监控系统[J].冶金自动化,2003,S1:255-257.
[27]范立杰.信息技术环境下初中物理探究式教学研究[D].河北师范大学,现代教育技术,2013,硕士.
[28]田为刚.基于有限模糊规则的非线性系统模糊自适应控制[D].广东工业大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[29]谭志敏.遥感影像亚像元定位算法研究[D].华中科技大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[30]谢映梅.中药NDRF对佐剂性关节炎家兔血清炎性因子的影响及病理观察[D].遵义医学院,免疫学,2013,硕士.
[31]刘春济.长江三角洲区域会展业合作研究[D].上海师范大学,人文地理,2004,硕士.
[32]李映潼.血清微量元素Fe、Zn、Cu、Se与胃癌生物学行为关系的研究[D].吉林大学,临床检验诊断学,2013,硕士.
[33]王庆敏.绿色节能通信网络中基站与用户的联合最优接入控制[D].大连理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[34]陈智敏.论白居易音乐诗及其中的音乐美学思想[D].湖南师范大学,文艺学,2013,硕士.
[35]汪殷.伪造文书罪研究[D].上海交通大学,法律,2013,硕士.
[36]朱琴.金简及其《武英殿聚珍版程式》——兼论古代活字印刷发展滞缓的原因[D].苏州大学,中国古代文学,2003,硕士.
[37]贺红风.美国“教师教育资助项目”研究[D].西南大学,比较教育学,2013,硕士.
[38]王亚锋.玻璃表面缺陷在线检测系统的研发[D].河南科技大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[39]谢哲.水平轴潮流能水轮机变桨距系统的研究[D].哈尔滨工程大学,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[40]赵爽.西瓜非生物胁迫响应R2R3MYB转录因子基因鉴定[D].华中农业大学,设施园艺,2014,硕士.
[41]戴磊.间充质干细胞~(TRAIL)双重靶向治疗胰腺癌的在体实验研究[D].宁波大学,外科学,2014,硕士.
[42]晁嫣萌.定位格架对燃料组件流动传热特性影响的数值模拟研究[D].北京交通大学,2015.
[43]李祥祥.河南省新乡市城市综合公园植物造景调查研究[D].内蒙古农业大学,风景园林,2013,硕士.
[44]秦波.基于消费者心智的品牌营销策略模块化研究[D].北京交通大学,2012.
[45]苗伽略.基于认知无线电的智能配电网通信技术研究[D].重庆大学,电气工程,2014,硕士.
[46]耿芳.基于模糊控制的跨临界CO_2汽车空调系统仿真与分析[D].吉林大学,热能工程,2013,硕士.
[47]邹璐.语文课程理念创新背景下新型中学语文教师的培养[D].贵州师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[48]李栋梁.潍坊市防震减灾信息化管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[49]刘鹏.九年级学生化学实验记录水平现状的调查研究[D].西北师范大学,教育,2014,硕士.
[50]陈毅鹏.格列卫营销管理案例研究[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.