（凝聚态物理专业论文）ni3al合金和硫族磁性化合物中的量子临界现象研究.pdf

浙江大学博士学位论文：中文题名页 1 i l l l | l 1 1 1 | l i l l f l i | | i | i | | i i | | i | i | | 洲 y 17 14 0 9 3 论文作者签名：盘耋：缝 指导教师始亏矽屋，指导教师签名： 兰r ! ：么垒 答辩委员会主席： 委员1 ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： 、 ，二 r j ：kl 、 、 a u t h 。r ，ss i g n a t u r e 髟咖h 以 s u p e r v i s o r ss i g n a t u r e ：匈膨弘 c h a i m 锄：型沙歹k 尸m f c o m m i 搬m 锄1 ：协乜蜘l尸 c o m m i 触m a n3 ：7 k 厶? 眦 尸砰 c 。i i l l n i 触m a n4 ：铱吲从蕊雕、 c 。m m i t t e e m 锄5 ：砌驰锄州 1 jl ：朗： i 勺 钆，、 浙江大学博士学位论文：独创性声明 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：私班签字嗍冲硐，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者龇书家卜 翩虢 签字日期：动两陴2 一月刀日签字日期：刃加矿车r a 月i o 日 i i i r + 7 i i ： f ：= 浙江大学博士学位论文：致谢 致谢 在此论文完成之际，回首近七年来的求学生活，在学业上取得的点点滴滴成 绩，都离不开指导和帮助过我的师长和同学，离不开关心和支持着我的家人和朋 友。在此，我表示最诚挚的谢意! 首先衷心地感谢导师方明虎教授。在整个学位攻读期间，老师在工作中一直 给予我全面的指导，在生活中给予我亲切的关怀。他严谨的科学作风、实事求是 的治学态度和平易近人的处世风格都给我留下深刻的印象，使我受益匪浅、终生 难忘。在此致以衷心的敬意和谢意! 感谢凝聚态实验物理组的焦正宽教授、许祝安教授、曹光旱教授在学术上的 指导和帮助。 本论文部分实验是在日本京都大学化学系实验室完成，吉村一良教授给予了 热忱的帮助，在此表示衷心的感谢。另外，在学业的最后阶段，与美国t u l a n e 大 学毛志强教授以及美国l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r yb a ow e i 教授进行合 作研究，在此表示感谢。 我还要感谢曾经在一些学习和工作的同学。特别是已经毕业的师兄林杨帆， 在我刚来浙大时，给予了很多的实验上的指导。化学系王建军同学给予了很多实 验操作上的意见和建议，在此表示感谢。王杭栋和张瞩君同学无论在学习上还是 生活上都曾给本人很多的帮助，在此表示感谢。另外，其他实验小组的同学也都 给本人一定的帮助，他们是：沈静琴、李林军、朱增伟、将帅、任之、王操和吴 海飞等同学，在此一并表示谢意。 特别感谢我的爱人戴辉，感谢她多年来默默的奉献和无悔的支持。 i v 杨金虎 2 0 0 8 年1 1 月6 日 浙江大学博士学位论文：摘要 摘要 在一些强关联电子系统中( 如：铜氧化物超导体、铁基超导体、重费米子以 及一些钌氧化物) ，通过压力、磁场或元素替代等手段，将其磁相变温度抑制0k ， 在该临界压力( p c ) 、磁场( 总) 或者临界替代浓度) 附近，系统的诸多物理性质呈 现一系列反常。与由温度驱动的传统的相变不同，由外部条件( p ，日，x ) 变化 所诱导的这种从磁有序态转变为无序态的t = 0k 量子相变，通常伴随着强烈的 自旋量子涨落，从而决定了系统在很宽的相空间( 丁，皿t ，p 或t ，x ) 的物理 性质。由此可见，选择更多的磁性系统，甚至是传统的磁性化合物，采用元素替 代、外加磁场或加压力等方法，抑制其长程磁有序，通过观测临界点( p c ，n c 或x c ) 附近样品的物性，在更多的磁性系统中，证实其非f e r m i 液体行为与零温 度下自旋量子涨落存在本质关联，这在凝聚态物理学中是一个非常重要的研究课 题，其研究结果无论对高温超导电性的微观机制的理解还是对强关联电子系统物 理的建立都具有重要意义。 本论文共分为六章，其主要内容如下： 第一章我们综述了近年来有关量子相变的理论和实验研究进展，同时对本 论文研究的意义及内容给出简单的概括。 第二章巡游电子铁磁系统n i 3 a i l 哇g a x 中的量子临界现象研究。我们采用 a r c m e l t i n g 方法制备了不同g a 替代浓度的n i 3 a i l 畸g a = 系列样品，对其结构、 磁化强度、电阻率和比热的进行了系统观测，结果发现：随着g a 替代浓度x 值 的增加，系统的铁磁相变温度逐渐降低，在x = 0 3 4 附近被抑制至0k ，系统在 该临界浓度附近发生了巡游电子铁磁到顺磁的量子相变。在国际首次获得 n i 3 a l l 如戤系统的磁相图；该临界浓度附近样品的低温磁化强度磁场、起始磁 化率温度关系分别呈现mo ch 价和l x i n i t i a lo c 一3 标度律行为；不同温度下，与 自旋量子涨落谱相关的y 值随着磁场变化呈现峰值效应，在国际上，首次通过对 不同温度下测得的磁化曲线m ( h ) 分析，结合理论解释，获得了自旋量子涨落谱 信息；通过对其不同磁场下低温比热的观测，证实在该系统中自旋量子涨落对比 热的贡献满足c t 昏l o g t 关系，同时发现该系统为中等关联电子系统；在量子 临界点附近样品的电阻率温度关系呈现非费米液体行为。 第三章n i s 2 哇s e = 中的反铁磁量子临界现象研究。 针对n i s 2 吖s e = 系统在x = v 浙江大学博士学位论文：摘要 1 0 附近发生的反铁磁顺磁的量子相交，制备了一系列n i s 2 吖s e x ( x = 0 9 6 ，0 9 8 ， 浙江大学博士学位论文：a b a t r a e t a b s t r a c t i ns o m e s t r o n g l y c o r r e l a t e d e l e c t r o n s y s t e m s ( f o re x a m p l e ，c u p r a t e s u p e r c o n d u c t o r , i r o n b a s e ds u p e r c o n d u c t o r , h e a v yf e r m i o nc o m p o u n da n dr u t h e n a t e o x i d e ) ，t h em a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ec a l l b es u p p r e s s e dt o0kb y a d j u s t i n gs o m en o n - t h e r m a lc o n t r o lp a r a m e t e r s ，s u c ha se x t e m a lp r e s s u r e ，m a g n e t i c f i e l da n de l e m e n td o p i n g as e r i e so fa n o m a l o u sp h y s i c a lp r o p e a i e sh a sb e e n d i s c o v e r e di nt h ec r i t i c a lr e g i o n i nc o n t r a s tt oac l a s s i c a lp h a s et r a n s i t i o nd r i v i n gb y t h e r m a lf l u c t u a t i o n ，aq u a n t u mp h a s et r a n s i t i o nf r o ma no r d e rt oad i s o r d e rs t a t ea t0 ko c c u r sa st h er e s u l to ft h ev a r i a t i o no fe x t e r n a lp a r a m e t e r , a c c o m p a n y i n gb ys t r o n g q u a n t u ms p i nf l u c t u a t i o n sw h i c hd o m i n a t e st h eb e h a v i o ro f e l e c t r o n i cs y s t e m so v e ra w i d er a n g eo ft h ep h a s ed i a g r a m s o ，i ti si m p o r t a n ti nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c st o r e s e a r c ht h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sc l o s et ot h ec r i t i c a lr e g i o na n dt oc o n f i r mt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o n f e r m il i q u i db e h a v i o ri np h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dq u a n t u m p h a s et r a n s i t i o na t0k t h er e s u l to f s u c has t u d yi sak e yt ou n d e r s t a n db o t hh i g ht e s u p e r c o n d u c t i v i t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fp h y s i c s i ns t r o n g l yc o r r e l a t e de l e c t r o n s y s t e m t h ec o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r sa n dt h em a i nr e s u l t s a r es u m m a r i z e da sf o i l o w s ： t h ec h a p t e r1r e v i e w st h ep r o g r e s so ft h eq u a n t u mp h a s et r a n s i t i o nb o t hi n t h e o r ya n de x p e r i m e n t s ，m e a n w h i l e ，t h ea i m sa n dc o n t e n to f t h ep r e s e n tw o r kw e r e g t v e n i nc h a p t e r2 ，w es t u d yt h eq u a n t u mc r i t i c a lp h e n o m e n ai np o l y c r y s t a l l i n ea l l o y s n i 3 a l t _ x g a 。, s y n t h e s i z e db ya r c - m e l t i n gm e t h o d w ei n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y t h e i r s t r u c t u r e ，m a g n e t i z a t i o n ，e l e c t r o n i cr e s i s t i v i t ya n ds p e c i f i ch e a t i ti sf o u n dt h a tt h e f e r r o m a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ei sd e p r e s s e dg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s i n g s u b s t i t u t i o nc o n t e n t 置o fg af o ra i ，a n dd i s a p p e a r sn e a rx = 0 3 4 , w h e r et h es y s t e m c h a n g e sf r o ma ni t i n e r a n tf e r r o m a g n e t i cs t a t et oap a r a r n a g n e t i cs t a t e ，aq u a n t u m p h a s et r a n s i t i o no e c t u s t h em a g n e t i cp h a s ed i a g r a mf o rn i 3 a l l _ x g a xs y s t e mw a s o b t a i n e d n e a rt h i sq u a n t u mc r i t i c a lp o i n t , t h ef i e l dd e p e n d e n c eo fm a g n e t i z a t i o n v u 浙江大学博士学位论文：a b s t r a c t s a t i s f i e sas c a l i n gl a wm o t h ，a n dt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fi n i t i a lm a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t yi naw a yo f1 x i n i t i do ct 们w ca r et h ef i r s tg r o u pt oo b s e r v et h e p e a k e f f e c ti ny - hc u r v e s ，w h i c hr e f l e c t st h ee n e r g ys p e c t r u mi n f o r m a t i o no fs p i nq u a n t u m c r i t i c a lf l u c t u a t i o n b ya n a l y z i n gm h ) c u r v e s i nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s t h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h ep a r t i n s p e c i f i c h e a td u et ot h es p i nq u a n t u m f l u c t u a t i o na tl o wt e m p e r a t u r e si so fc r 虻- l o g t , w h i c hi sw e l ls a t i s f i e dw i t ht h e o r y i ti ss u g g e s t e dt h a tt h es t r e n g t ho fe l e c t r o nc o r r e l a t i o ni nn i 3 a l l 吖g 戤i sm e d i u mf r o m t h em e a s u r e m e n t so fs p e c i f i ch e a t a n dt h en o n - f e r m il i q u i db e h a v i o ri nt h e r e s i s t i v i t yn e a rq u a n t u mc r i t i c a lp o i n tw a sf o u n d i nc h a p t e r3 ，w es t u d i e dt h ea n t i f e r r o m a g n e t i cq u a n t u mc r i t i c a lp h e n o m e n ai n t h ep o l y c r y s t a l l i n es a m p l e so fn i s 2 刁。s 岛0 = 0 9 6 ，0 9 8 ，1 0 0 ，1 0 5 ，1 10a n d1 2 0 ) w h i c hw e r ep r e p a r e db yas o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d a n dt h em e a s u r e m e n t so nt h e i r s t r u c t u r e ，m a g n e t i z a t i o n a n dr e s i s t i v i t yw e r ec a r r i e d o u t i ti sf o u n dt h a tt h e i r t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fs u s c e p t i b i l i t ys h o w sat y p i c a lc h a r a c t e r i s t i co fas t r o n g l y c o r r e l a t e de l e c t r o ns y s t e m t h e r ea r ep o s s i b l et w ok i n do fc a r r i e r , o n ei si t i n e r a n to n e , t h eo t h e ri sl o c a l i z e do n e ；o r , t h e r ee v e ne x i s t sd y n a m i ce l e c t r o n i cp h a s es e p a r a t i o ni n n i s 2 s e x ( 驴1 0 ) ；s i m i l a rt oh i g h 疋s u p e r c o n d u c t o r s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n r e s i s t i v i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s p l a y sal i n e a rb e h a v i o ri naw i d e rt e m p e r a t u r er e g i o n f r o m 5 0t o3 0 0k f o rx = 0 9 8a n d1 0 0 s a m p l e s w h i c h i sc l o s et ot h e a n t i f e r r o m a g n e t i cc r i t i c a lp o i n t ，i t so f f ) 叱t 3 2a tl o w e rt e m p e r a t u r e s ( 3 3 0 k ) ，w h i c h t a k e so nan o n - f e r m i l i q u i db e h a v i o rd u et ot h es t r o n gq u a n t u ms p i nf l u c t u a t i o n t h e x = 1 10a n d1 2 0s a m p l e s r e c o v e r st ot h ef e r m il i q u i d b e h a v i o ra tl o w e rt e m p e r a t u r e ： p ( d o ct i nc h a p t e r4 ，w es t u d i e dt h ef e r r o m a g n e t i cq u a n t u mc r i t i c a lp h e n o m e n ai n p o l y c r y s t a l l i n es a m p l e so f c o ( s ! 吖s e 了) 2 ( 0 o x 0 16 ) w h i c hw e r ep r e p a r e db yas o l i d s t a t er e a c t i o nm e t h o d t h em e a s u r e m e n t so nt h e i rs t r u c t u r ea n dr e s i s t i v i t yw e r e c a r r i e do u t i ti sf o u n dt h a tt h ef e r r o m a g n e t i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e 瓦i ss u p p r e s s e d b ys ed o p i n gi nt e ( 1 - x ) 1 尼w a y t h ef e r r o m a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o ng o e sf r o mt h e s e c o n dt ot h ef i r s to r d e r t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fr e s i s t i v i t y , 郎) ，s h o w sa f e r m il i q u i db e h a v i o r , p ( t ) = p o + a t - i nc o ( s i 吖s e x ) 2g 0 0 8 ) s a m p l e s , w h i l e v i n 浙江大学博士学位论文：a b s t r a c t 1 1 0 1 1 一f e r m i l i q u i d b e h a v i o ro fp e t ) o c c u r si nt h es a m p l e sn e a rt h ec r i t i c a l c o n c e n t r a t i o nx = 0 11 i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ep h a s et r a n s i t i o nn e a rx 2 o i1i sa q u a n t u mp h a s et r a n s i t i o na n dt h eq u a n t u mc r i t i c a ls p i nf l u c t u a t i o na tz e r ot e m p e r a t u r e r e s u l t si nn o n - f e r m il i q u i db e h a v i o r w ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fys u b s t i t u t i o nf o rc ei nc e l 心x i n 3s y s t e m t h e s i n g l ec r y s t a lc e l 童y x i n 3s a m p l e sw e r ep r e p a r e db yas e l f - f l u xm e t h o d w es t u d i e di t s s t r u c t u r ea n d m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y s y s t e m i c a l l y i t i sf o u n dt h a tt h e a n t i f e r r o m a g n e t i cp h a s e t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i s g r a d u a l l ys u p p r e s s e d w i t h i n c r e a s i n gs u b s t i t u t i o nc o n t e n txo fya n dd i s a p p e a r sn e a rx = 0 3 8 w eg a i n e dt h e m a g n e t i cp h a s ed i a g r a mo f c e ) 。y j l n 3 i nt h el a s tc h a p t e r , w ei n v e s t i g a t e dt h et y p ei i s u p e r c o n d u c t i v i t yi nn e a r l y f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sm g c n i 3 ，w h i c hw a sp r e p a r e db yh i g hp r e s s u r em e t h o d t h e s u p e r c o n d u c t i n gv o l u m er a t i o ni sa l m o s t10 0 w ec o n c l u d et h a tt h ef l u xp i n n i n ga t l o w e rf i e l d sr e s u l t sf r o mt h ei n t r a - g r a n u l a rs t r u c t u r a ld e f e c t sw h i c hi sd i f f e r e n t i n t r i n s i c a l l yi ns a m p l ep r e p a r e db yc o n v e n t i o n a ls o l i ds t a t er e a c t i o n w ea l s oo b s e r v e d t h e p e a k ”e f f e c tc a u s e db ys o f t e n i n go f t h ef l u xl a t t i c ei nh i g hm a g n e t i cf i e l d o nt h e o t h e rh a n d ，i tw a sf o u n dt h a tt h ec r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yi nm g c n i 3s a m p l e sp r e p a r e d b yh i g hp r e s s u r ei sa l m o s tt h es a m ev a l u ea st h a ti nn b t iw i r e w ep u tf o r w a r da p r a c t i c a b l ep r e p a r i n gm e t h o df o rs u p e r c o n d u c t o rm g c n i 3 i na p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：q u a n t u mp h a s et r a n s i t i o n ；n o n - f e r m il i q u i db e h a v i o r ；q u a n t u m s p i nf l u c t u a t i o n ；s c a l i n gl a wb e h a v i o r ；h e a v yf e r m i o ns y s t e m i x 浙江大学博士学位论文：目录 中文题名页 英文题名页 目录 独创性声明 致谢 摘要 l i v a b s t 阳c t v v 第一章文献综述 1 1 有关量子相变的实验研究进展l 1 1 1 巡游电子铁磁体z r z n 2 中的量子相变l 1 1 2 重费米子系统c e l n 3 中的量子相变6 1 1 3s r 3 r u z 0 7 中磁场调节的量子相变1 3 1 1 4 高温超导体中存在量子相变吗? 1 7 1 2 有关量子相变的理论研究2 0 1 2 1 量子临界点附近的标度律理论- 2 1 1 2 2 自治重正化自旋涨落理论2 4 1 2 3有关非费米液体行为的其他理论模型2 7 1 3 本论文的研究内容及其意义3 0 第二章巡游电子铁磁系统n i 3 a i ，x g a 。中的量子临界现象研究 2 1 弓l 言一一4 l 2 2 样品制备一4 3 2 3实验结果及分析4 s 2 3 1 结构分析一4 s 2 3 2 n i 3 a l l d g 戤系统的磁相图和量子相变一拍 2 3 3 巡游电子铁磁相的自发磁矩温度关系一5 2 2 3 4 量子自旋涨落能谱的磁场、温度关系- 5 4 2 3 5 自旋量子涨落对低温比热的贡献5 8 2 3 6 电阻率温度关系的非费米液体行为6 2 第三章n i s z _ x s e ，中的反铁磁量子临界现象研究 x 浙江大学博士学位论文：目录 3 1 引言 3 2 样品制备及测量 3 3 实验结果及分析 7 l 砣 7 3 7 3 7 4 7 6 8 0 8 1 3 3 1 结构分析 3 3 2 磁化率的双极子模型 3 3 3 电阻率p t 1 5 3 4 本章小节 参考文献 章c o ( s 1 嗡s e x ) 2 中的铁磁量子相变研究 4 2 样品制备鹊 4 3 实验结果及分析 4 3 2 电阻率结果分析8 s 4 4 本章小节一 章重费米子c e l n 3 体系中的y 元素替代效应研究 5 1 引言 9 3 - 9 5 w - 9 6 一 l 5 2 样品制备及表征 5 3 实验结果及分析 5 4 本章小节 参考文献 章近铁磁金属m g c n i 3 的超导电性研究 6 1 引言一1 0 3 6 2 样品制备1 6 3 实验结果及讨论1 0 5 6 3 2m 9 2 1 c 1 朋n i 3 的超导电性研究1 6 3 3m g z 1 c l 朋n i 3 的磁通钉扎研究1 1 0 总结 作者简历及攻读博士期间的主要研充成果 x i 1 1 6 1 1 7 第一章：文献综述 第一章文献综述 1 1 有关量子相变的实验研究进展 物理上，经典意义上的相变，通常是指发生在有限温度下、由热涨落驱动诱 导的相变，如铁磁有序顺磁态相变、反铁磁有序顺磁态相变、超导金属相变以 及金属绝缘体相变。与传统相变不同，量子相变是指通过压力、磁场、元素替 代等非热力学手段，将系统的磁相变温度抑制到0k ，从而诱导出一种发生在0k 的磁有序态到无序态的相变【1 2 1 。量子相变实际上是与量子力学测不准关系所联 系的自旋量子涨落所驱动。在临界压型、磁场【舡1 玎或替代浓度f 1 2 1 5 1 附近( 量子 临界点，q u a n t u mc r i t i c a lp o i n t ) ，系统的物理性质呈现一系列反常，由于诸多相 互作用的的竞争，甚至出现一些新的量子基态，如超导电性、自旋液体和自旋液 晶等。 在进行广泛的文献调研基础上，本节选择了几个不同的体系，对实验上如何 实现量子相变、以及与量子相变相关的物性反常等进行总结和评论。 1 1 1巡游电子铁磁体z r z n 2 中的量子相变 图1 1z r z n 2 的晶体结构，较大的原子是z r 较小的是历。 三维巡游电子铁磁体z r z n 2 具有立方结构( 对称群为c 1 5 ) ，z r 原子本身形 成共四面体的金刚石结构，占据( 0 ，0 ，0 ) ，z n 原子占据( o 6 2 5 ，0 6 2 5 ，0 6 2 5 ) ， 1 浙江大学博士学位论文 晶格常数a = 7 3 9 3a ，其结构如图1 1 所示。m a t t h i a s 和b o z o r t h 于1 9 5 8 年 首次在实验室成功获得了z r z n 2 样品【1 6 1 。因为z r 和z n 本身为无磁性金属，但其 第一章；文献综述 的t c ( p ) 关系存在较大差异，后来才意识到这是由于不同组获得的样品品质差异 所致。图1 2 a 给出了高品质单晶z r z n 2 样品( 其p ( 2 9 3 k ) p ( t - - - 0 ) 1 0 0 ，p o = 0 6 衅c m ) ，t = 2 3k 时的自发磁矩压强关系曲线，以及在常压下的磁化强度温 度关系曲线。常压下z r z n 2 在2 8 5k 发生了顺磁到铁磁的相变，并证实为二级相 变【1 9 】，如1 2 a 中插图所示。而其自发磁矩随着压强的增加而单调减小，在临界 压强p c = 1 6 5k b a r 附近，其自发磁矩突然减小到零，说明在该临界压强p c = 1 6 5 k b a r 附近发生的铁磁一顺磁的相变可能是不连续的一级相变。 图1 2 b 给出了其 铁磁相变温度压强的关系曲线t c ( p ) ，在临界压强p c 附近，其t c 也是突然消 失，进一步说明p c 附近发生的铁磁顺磁相变是一级相变。 o ： o 薯0 暑 芝 园， 图1 3z r z n 2 在不同压强下的m ( b ) 关系曲线。 为了进一步证实在p c 附近发生的铁磁顺磁相变是一种量子相变，一个简单 的办法就是观测磁化强度在p c 附近随着磁场的变化行为m ( b ) 。 图1 3 给出了 z r z n 2 在p 。附近的3 个不同压强下的m ( b ) 关系曲线。当p = 1 3 1k b a r p c ，体系的基态为顺磁态，在低温、低场下，其磁化强度随着磁场的增加线性增 大，当磁场达到某一临界值b t i l 2 时，磁化强度以更快的速率继续增大，呈现典型 3 浙江大学博士学位论文 的变磁性行为，如图1 3 c 所示。p = 2 0 9k b a r 时的m ( b ) 曲线与p = 1 7 1k b a r 时 测得的结果类似。这里所观察到的m ( b ) 随磁场增加突然增长的行为就是我们通 常所说的变磁性( m e t a m a g n e t i s m ) 。变磁性相变是自由能取得最小值的直接结果， 是p c 附近发生的一级量子相变的有力证据。 图1 4 未重正化的l d a 计算结果 衾 笔 、， 蔷 姿 啬 原则上说，密度泛函是描述基态最精确的理论，对于磁性系统的基态应该能 够给出正确的描述。在通常情形下的确如此，但是采用平均场近似计算的理论， 如局域密度近似方法( l o c a ld e n s i t ya p p r o x i m a t i o n ，l d a ) ，在处理强关联铁磁系 统时，一般情况下是低估了系统的铁磁性，给出理论结果是不正确的。但高估系 统的铁磁倾向性却不多见，只有在近铁磁量子临界点附近，l d a 理论忽略了低 能自旋量子涨落，对量子临界点附近材料的铁磁性判断，往往会高估其铁磁倾向， 因此l d a 理论的失效，提供了一个间接方法在理论上判断体系有无量子相变【2 u j 。 m a z i n 引j 利用l d a 理论计算了z r z n 2 的自发磁矩随压强的变化关系，结果表明 当压强高达p = 2 1 2k b a r 时，其铁磁相变温度趋于0k ，远远超过了实验的测量 结果p = 1 7 1k b a r ，即l d a 理论高估了该体系的铁磁倾向， 如图1 4 所示。理 论和实验的不一致，预示该体系可能存在强烈的量子涨落。 除了采用压力调节，研究z r z n 2 系统的量子临界现象外，s o k o i o v 等人l z 2 】 采用n b 元素替代的方法，抑制其铁磁相变温度，研究z r l 嘻n k z n 2 系统在临界 浓度附近的量子临界行为。结果发现，随着n b 替代浓度的增加，体系的铁磁相 变温度死单调下降，在而= 0 0 8 附近，死趋于0k ，发生巡游电子铁磁一顺磁量 子相变。他们的实验结果表明：处于铁磁基态的z r l 吖n b ，, z n 2 ( x 0 0 8 ) 样品，在低 4 第一章：文献综述 温下的自发磁矩温度关系满足s t o n e r 平均场理论模型： 心( f ) = m 0 ( o ) f 卢 f = 竽肛0 5 ( 1 1 ) f c 其铁磁相变温度- n b 替代浓度x 关系满足： 正o c ( x c - x ) 3 心：( 1 2 ) 的幂指数行为。同时发现在量子临界点附近，样品的起始磁化率温度关系满足 一种量子相变的标度律行为。z r l n b z n 2 伍= 0 0 0 ，0 0 2 ，0 0 3 ，0 0 5 ，0 0 5 5 ， 0 0 6 ，0 0 8 ，0 0 9 ，o 1 2 和0 1 4 ) 起始磁化率温度关系曲线如图1 5 a 所示。可 以看出x x c ) 的起始磁化率在低温下却趋向一常数，但对于临界浓度 附近样品的起始磁化率温度关系却满足的标度律： 土o c 上+ a 丁4 ，3 一+ i 。 ) 巴 _ ) 巴q 名 三 冬 p ( 1 3 ) t t ( 丁t c ) t c 图1 5a ：z r l x n b x z n 2 伍= 0 0 0 ，0 0 2 ，0 0 3 ，0 0 5 ，0 0 5 5 ，0 0 6 ，0 0 8 ，0 0 9 ，o 1 2 和o 1 4 ) 样品的起始磁化率温度关系曲线，虚线为l zo c ，乃曲线， b ：x ；o 0 0 ，0 0 5 5 和o 0 8 三个样品的起始磁化率与约化温度关系曲线，插图为不 同h - b 含量的样品的约化温度幂指数y - n b 替代浓度x 值的1 ，( 力关系曲线。 5 浙江大学博士学位论文 为了考察量子自旋涨落对系统磁性的影响，s o k o l o v 等人利用公式 第章：文献综述 了重费米子材料的基态。对于本身就处在磁不稳定点( m a g n e t i ci n s t a b i l i t y ) 附近 的重费米子化合物而言，外加压强是调节其基态性质的一个非常有效的方法。 1 9 7 9 年s t e g l i c h l 2 3 】首次报道了c e c u 2 s i 2 中的0 6k 超导电性，引起了人们对重 费米子系统研究的高度重视，直至现在，重费米子体系仍然是凝聚态物理理论和 实验研究的前沿课题之一。 实际上，c e c u 2 s i 2 是常压下处于磁有序边缘的超导 体，这意味着外界压强可能会使某些常压下为磁性有序基态的重费米子化合物转 交为超导体。后来，在c e p d 2 s i 2 和c e r h 2 s i 2 重费米子化合物中，人们对其施加 高压，在低温下果然观察到了超导电性1 2 4 2 5 1 ，进一步证实了上述观点。 重费米子化合物c e l n 3 具有简单的c u 3 a u 立方结构，如图1 6 所示，其反铁 磁相变温度t n 1 0k ：核四偶极矩共振( n u c l e a rq u a d r u p o l er e s o n a n c e ，n q r ) 和 中子散射实验结果表明：其磁矩为0 5 0 p b f 2 6 , 2 7 1 ，沿着 方向反铁磁排列【2 8 1 。 随着压强的增加，其反铁磁相变温度单调下降，在临界压强p c = 2 5g p a 附近消 失，随后在一个比较狭窄的压强区域，系统呈现出超导电性i 冽，其相图如图1 7 所示。为了解释在该重f e r m i 子系统中量子临界点附近出现的超导电性，m a t h u r 掣7 】提出了“磁性胶”( m a g n e t i cg l u e ) 的理论模型，认为在c e l n 3 体系中， 磁涨落可以调节载流子之间的自旋相互作用。该理论模型认为只要磁相互作用引 力足够强，电子之间由于“磁性胶”的作用而形成库珀对( c o o p e rp a i r ) ，系统 呈现超导电性。进一步的研究发现，在临界压强p 。