（凝聚态物理专业论文）层状钌氧化合物srn1runo3n1的输运性质.pdf

；， 浙江大学博士学位论文 y7 燃4 2 4 m 7 1 0 2 哪! 1 摘要 摘要 层状r u d d l e s d e n - p o p p e r ( r p ) 系列钌氧化合物s “l q i n + l 随着r u o 正八面体 层数刀的增加，其物理性质表现出了奇特的演变。n = l 的化合物s r 2 r u 0 4 是目前 为止发现的唯一一个自旋三态、奇宇称的p 波超导体，其超导机理及正常态的奇 异性质还有待进一步的理解，是当前凝聚态物理领域的热点问题；n = 2 的化合物 s r 3 r u 2 0 7 在低温下出现变磁量子相变及量子涨落：n = 3 的化合物s r 4 r u 3 0 1 0 表现出 很强的磁性各向异性：无穷层( 甩= ) 化合物s r r u 0 3 表现出各向同性的巡游铁磁性 ( 砰1 6 0 k ) 。可以看出，随着r u o 八面体层数的减少，磁性逐渐减弱直到超导出 现。因此，对这一系列化合物的研究，有望揭示s r 2 r u 0 4 超导机理，甚至可为高 温超导机制的理解提供旁证。另外，该系列化合物为研究晶体结构与物性之间的 关系提供了一个很好的平台。 我们首次报道了超导体s r 2 r u 0 4 正常态的n e r n s t 效应。发现在1 0 0 k 以下 n e r n s t 信号逐渐增大，直到2 0 k 的附近出现一个负的最大值，随后随温度线性趋 于零。我们提出增大的n c m s t 信号可能来自于多带的特性以及磁涨落的贡献。同 时，我们结合其它谱学测量结果，提出在2 0 k 温度以下该体系进入了一种相干电 子态，这种相干态可能是发生在丫带( 如轨道) 上。对热电势、h a l l 效应和比热 的测量进一步支持了我们的这个图像。这种轨道相关的相干态可能是轨道相关的 超导态的前驱，与其超导机理之间有着直接的联系。 我们通过磁热电势、磁阻和磁化率测量研究了s r , 怔r u 3 0 l o 样品在沿平面内磁 场( 删a b ) 导致的电子态变化。在t 3 5 k 时，磁阻、磁化率和磁热电势随磁场 在l 2 t 出现跳变并伴随着磁回滞现象，证实了不同磁场下存在着两个不同的电 子态。而且，在h l a b 时磁化率在大约t = 3 5 k 处出现一个宽的峰值。我们认为在 t 3 5 k 时体系中存在“硬的铁磁磁畴 ，磁性与晶体结构之间存在强的耦合，在 强磁场h l a b 下“硬的铁磁磁畴 转向到同一个方向而导致晶体结构的微小变化， 从而导致电子态的变化。这个高磁场( h l a b ) 下出现的电子态还具有更大的热电势 _ l i 浙江大学博士学位论文摘要 的特点，这是以前从来没有发现过的。 通过研究s r 4 r u 3 0 1 0 样品在h c 时热电势的磁场关系，我们发现t 3 5 k 时， 磁热电势与h t 有标度关系，证明了自旋熵对该体系的热电势有贡献，这是第一 次在钌氧化合物中发现自旋熵的热电势贡献。同时，在t = 3 5 1 1 0 k 的温区，我们 观测到了热电势随温度变化的线性行为，且s t 与电子比热y 系数之间存在标度 关系，我们提出强关联效应引起的电子质量重整化主导了这个温度区域的热电 势。热电势的这两个标度行为，说明s r 4 r u 3 0 l o 体系中的热电势存在两种不同的 贡献项。 论文的最后研究了钴氧化合物l a l 嚷s r x c 0 0 3 ( 0 x 郢5 ) 中c o 的自旋态与热电 势的关系。通过磁化率测量得到c o 的有效磁矩，并由此计算出体系中c 0 4 + 处于 高自旋态或者高自旋态和低自旋态的混合态。根据修正过的h e i k e s 公式，我们用 3 0 0 k 时的热电势数据计算出c 0 4 + 的自旋态与磁化率得到的吻合。我们提出电子 的简并度和强关联共同决定了体系的热电势。 关键词钌氧化合物、n e r n s t 效应、，相干态、热电势 -，厂 i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p o u n d si nt h er u d d l e s d e n - p o p p e rh o m o l o g o u ss e r i e ss 1 r 0 3 n + l ，w i t h n = lt oi n f i n i t y , e x h i b i taw i d er a n g eo f p h y s i c a ln o v e lp h e n o m e n a t h en = lm e m b e ro f t h es e r i e s ，s r 2 r u 0 4 ，i sas p i n - t r i p l e t , o d d - p a r i t ys u p e r c o n d u c t o r , t h en = 2m e m b e r , s r 3 r u 2 0 7 ，p o s s e s s e saq u a n t u mm e t a m a g e n t i cp h a s et r a n s i t i o n ；s r 4 r u 3 0 1 0 ，t h en - - 3 c o m p o u n d , i sa n i s o t r o p i cq u a s i t w o d i m e n s i o n a l f e r r o m a g n e t ；s r r u 0 3 i sa t h r e e - d i m e n s i o n a li t i n e r a n t f e r r o m a g n e tw i t ht c = 1 6 0 k t h em a g n e t i c o r d e ri s s u p p r e s s e dw i md e c r e a s i n g n u m b e ro fr u 0 6 l a y e r s i n s r n + lr u l l 0 3 n + 1 a n d s u p e r c o n d u c t i v i t ye m e r g e si nt h em o s tt w o - d i m e n s i o n a lc o m p o u n ds r 2 r u 0 4 i ti s p o s s i b l e ，t h e r e f o r et oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo fs u p e r c o n d u c t i v i t yi ns r 2 r u 0 4b y s t u d y i n gs r n + 1i 己0 3 一1 t h i ss e r i e sa l s op r o v i d e so p p o r t u n i t i e st oi n v e s t i g a t eac e n t r a l t h e m ei nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r eo ft r a n s i t i o n a l m e t a lo x i d e s w ep e r f o r m e dt h ef i r s tn e m s te f f e c tm e a s u r e m e n ti nt h en o r m a ls t a t eo fs r 2 r u 0 4 t h en e r n s ts i g n a ls t a r t st oi n c r e a s eb e l o wlo o k , a f t e rs h o w i n ga n e g a t i v em a x i m u m ，i t d e c r e a s e sl i n e a r l yt oz e r ow i n ld e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w ep r o p o s et h a tt h ee n h a n c e d n e m s ts i g n a lm a yr e s u l tf r o mm a g n e t i cf l u c t u a t i o na n dt h em u l t i - l e i a n dn a t u r eo ft h e n o r m a ls t a t eo fs r 2 r u 0 4 w ep r o p o s et h a tab a n d d e p e n d e n tc o h e r e n ts t a t ee m e r g e si n t h e 丫b a n d ( 如) a tl o wt e m p e r a t u r e s 1 1 1 et h e r m o p o w e r , h a l le f f e c ta n ds p e c i f i ch e a t m e a s u r e m e n t sp r o v i d ef u r t h e rs u p p o r tt ot h i sp i c t u r e t h ee x i s t e n c eo fb a n d d e p e n d e n t c o h e r e n ts t a t em a yp r o v i d e 能s hi n s i g h tt ot h e a p p l i c a t i o no ft h em e c h a n i s mo f s u p e r c o n d u c t i v i t yi ns r 2 r u 0 4 w ei n v e s t i g a t e dt h et w oe l e c t r o n i cs t a t e so fs r 4 r u 3 0 1 0i n d u c e db ym a g n e t i cf i e l d a p p l y i n ga l o n g a bp l a n e t h r o u g ht h e m e a s u r e m e n t so fm a g n e t o t h e r m o p o w e r , m a g n e t o r e s i s t a n c ea n dm a g n e t i z a t i o n ，w h i c ha l ls h o w e das t e e pj u m pa t 风o f1 2 t a n dah y s t e r e s i sb e t w e e ni n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gf i e l db e l o w3 5 k t h ea b - p l a n e z e r of i e l dc o o l i n g ( z f c ) m a g n e t i z a t i o na saf u n c t i o no ft e m p e r a t u r ew a sf o u n dt o s h o wa p e a ka t3 5 k w ep r o p o s et h a t ，u n d e ras t r o n gi n - p l a n ef i e l d ，t h e h a r dd o m a i n s 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t r e o r i e n ta n df o r mas i n g l ed o m a i n , w h i c hr e s u l t si nac h a n g ei nt h es t r u c t u r e - r e l a t e d e l e c t r o n i cs t a t et h r o u g ht h es t r o n gm a g n e t i c e l a s t i cc o u p l i n g t h ee l e c t r o n i cs t a t ea t 1 1 i g l lf i e l df a v o r sl a r g e rt h e r m o p o w e r , w h i c hh a sn e v e rb e e no b s e r v e dp r e v i o u si n t r a n s i t i o n a lm e t a lo x i d e s w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h em a g n e t o t h e r m o p o w e ro fs r 4 r u 3 0 1 0w i t l laf i e l da p p l i e d a l o n gca x i s b e l o w3 5 km a g n e t o t h e r m o p o w e rs h o w sas c a l i n gb e h a v i o rw i t hh t , w h e r ehi st h ef i e l da n dtt h et e m p e r a t u r e ，w h i c hm a yb ed u et ot h es p i i le n t r o p y d o m i n a t e dt h e r m o p o w e r m e a n w h i l e ，a tt h et e m p e r a t u r er a n g eb e t w e e n3 5 - 11 0 kt h e z e r of i e l dt h & - m o p o w e ri n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht e m p e r a t u r ea n ds ts h o w sas c a l i n g b e l l a v i o rw i t he l e c t r o n i c s p e c i f i c h e a tc o e f f i c i e n t t h e r e f o r e ，w ep r o p o s et w o c o n t r i b u t et ot h et h e r r n o p o w e ro fs r 4 r u 3 0 1 0 ，o n eo r i g i n a t ei sf r o mq u a s i p a r t i c l e s r e n o r m a l i z e db ye l e c t r o n i cc o r r e l a t i o n sa n dt h eo t h e rf r o mt h es p i ne n t r o p y f i n a l l yw ei n v e s t i g a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p i l ls t a t eo fc oi o n sa n dt h e t h e r m o p o w e ri nl a l x s r x c 0 0 3 ( 0 9 篷0 5 ) b a s e do nt h ee f f e c t i v em o m e n t u m o fc oi o n s d e t e r m i n e df r o mm a g n e t i s mm e a s u r e m e n t s ，w ef o u n dt h a tm o s to fc 0 4 + i o i l sa r ei nt h e l l i g l ls p i ns t a t e s ( 3 0 0k ) o b e y st h em o d i f i e dh e i k e sf o r m u l aa s s u m i n gc o + i o n sa r e i nt h ei ss t a t ea n dc o 针i nt h eh ss t a t eo ram i x e ds t a t eo fh ss a t ea n dl ss t a t e ， r e s p e c t i v e l y t h e s e r e s u l t si m p l yt h a tt h e l a r g et h e r m o p o w e rr e s u l t s f r o mt h e d e g e n e r a c yo fc h a r g ec a r r i e r sa n dt h es t r o n ge l e c t r o nc o r r e l a t i o ni nc o b a l to x i d e s k e y w o r d sr u t h e n a t e s ，n a n s te f f e c t ，c o h e r e n ts t a t e ，t h e r m o p o w e r 扩 浙江大学博士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1r p 型s “l r u n 0 3 t i + l 的结构与基本性质1 1 2 s r 2 r u 0 4 ：白旋三重态奇对称p 波超导 1 2 1 超导的发现3 1 2 2 能带结构及超导能隙5 1 2 3 关于自旋三重态及奇对称的证据7 1 2 4 正常态性质9 1 2 5 磁性涨落1 2 1 2 6t i 元素的替代效应1 3 1 2 7 超导理论研究1 5 1 3s r 3 r u 2 0 7 ：量子临界及变磁转变 1 3 1s r a r u 2 0 7 的基态性质1 6 1 3 2s r 3 r u 2 0 7 铁磁涨落和反铁磁涨落的争论1 8 1 3 3 变磁相变及量子临界行为j 1 9 1 3 4 ( s r l c a x ) 3 r u 2 0 7 的性质。2 4 1 4s r 4 r u s o l o 各向异性的铁磁体 1 4 1s r 4 r u 3 0 l o 体系的基本性质2 5 1 4 2s r , r u 3 0 1 0 ：铁磁与变磁相变共存? ：2 8 1 5 本论文研究的内容和意义3 l 参考文献。3 3 第2 章实验测量方法 2 1h a l l 效应的测量3 6 2 2 热电势和n e r n s t 效应测量3 7 参考文献4 0 第3 章s r 2 r u 0 4 的n e m s t 效应 3 1 前言。4 1 3 2n e m s t 效应及热电势简介。4 2 3 3 样品的准备和测量4 5 3 4 结果与讨论4 5 3 5 结1 沧5 4 参考文献5 5 v i ； 浙江大学博士学位论文 目录 第4 章s r , r u 3 0 1 0 的输运性质 4 1 前言5 7 4 2 样品的准备与测量5 8 4 3 实验结果与讨论 4 3 1h a b 磁性质和输运性质5 8 4 3 2 热电势的标度行为 4 3 2 1h c 时的热电势6 7 4 3 2 2 磁各向异性对的热电势的影响6 9 4 3 2 3 热电势与温度的关系7 0 4 4 结论7 2 参考文献7 3 第5 章l a l 嚷s r x c 0 0 3 ( 0 9 【如5 ) 体系的热电势 5 1 前言7 5 5 2 实验方法7 6 5 3 结果与讨论7 6 5 4 结论8 2 参考文献。8 3 总结8 4 攻读博士学位期间主要的研究成果8 6 致谢。8 8 v i 蕾 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 i 冲型s “l r u n 0 3 n + l 的结构与基本性质 虽然第一个4 d 金属氧化物s r r u 0 3 早于4 0 年前就已经被发现【1 】，但是直到 1 9 9 4 年、s r 2 r u 0 4 超导体的发现 2 】，才使得人们对碱金属钌氧化合物s r n + l r u n 0 3 n + l 的物性产生极大兴趣。s r n + l r 0 3 n + l 属于i 冲型( r u d d l e s d e n p o p p e r ) 类钙钛矿结 构的化合物，其通式为“l b n 0 3 n + l ，其中，l 为b 0 6 正八面体的层数，数值可为 1 蚴，a 为碱金属，b 为3 d 、4 d 或者5 d 金属。其结构为由玎层b 0 6 正八面体以 顶点对顶点的方式排列，碱金属a 填充在由八个正八面体所在的立方体的体心， 各刀层之间在空间上交错排列，结构如图1 1 所示。钌氧化合物( s r , c a ) n + l 0 3 n + l 系列因为近年来发现了很多不寻常的性质而备受关注。 nr 1 洲“) s r 莽凰 图1 1 ：s “l r u n 0 3 n + l 的结构。其中八面体为r u 0 6 层，圆点为s r 原子 在s w l r u 0 3 n + l 体系中，n = l 的成员s r 2 r u 0 4 是第一个被证实具有p 波超导 配对、自旋三重态奇对称的非常规超导体。磁化率测量发现从室温一直到兀都是 没有磁性的，但n m r 3 和中子散射 4 发现体系存在较强的磁涨落。n = 2 的成员 s r 3 r u 2 0 ，是一个铁磁与反铁磁涨落相互竞争的变磁体系，在很低温度出现反铁磁 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 涨落，但在强磁场下极化增强而出现变磁量子相变，伴随着量子临界现象。n = 3 的成员s r , r u 3 0 l o 是具有强各向异性的铁磁材料，居里温度点为1 0 5 k 左右。当外 场平行于a b 面时( 即r u o 面) ，在低温下( t 3 的薄膜样品已经制备出来。图1 2 显示的是s r + l r u n 0 3 n + l 体系n = l ，2 ，3 ，4 ，5 和六个系列薄膜样品的磁性质随r u o 八面体层数一的变化 5 ，可以很明显的看到，随着刀的增加，n = l 和2 两个样品没有出现磁有序，而 其它四个样品出现了长程铁磁有序，居里温度随着刀的增加而增加，分别为8 5 k ( s r 4 r u 3 0 l o ) ，9 5 k ( s r s r u 4 0 1 3 ) ，1 3 0 k ( s r 6 r u s 0 1 6 ) 和1 6 0 k ( s r r u 0 3 ) 。r i c e 6 曾 经提出，由于s r 2 r u 0 4 与s r r u 0 3 结构相近且同属于r p 体系，铁磁涨落可能对自 旋三态超导体s r 2 r u 0 4 的超导配对机理起着至关重要的作用。从图1 2 可以很直 2 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 观的看到，随着r u o 层数力的减少，晶体结构的维度降低，同时铁磁性减弱，体 系从三维的巡游铁磁体逐渐变化到准二维顺磁体。当n = l 时磁性消失同时伴随着 超导电性的出现。所以对s t + l r u n 0 3 n + l 体系的一系列样品的物性进行研究，可能 为解决s r 2 r u 0 4 的超导机理提供帮助，同时，随着拧的变化，体系的磁性和输运 性质发生很明显的变化，这对研究结构和物性的关系提供了一个很有用的平台。 1 2s r e r u 0 4 ：自旋三重态奇对称p 波超导 1 2 1 超导的发现 ， s a 警 o o _ ， 龟 q 3 2 o 帘 k o ? 2 b o1 o q 0 a 1 ；- 。- ；i 。l l f c 。 ， 1 ：；鼎i 1e；一、 毒 一- i 。 r一。 ：囊 一。 。、。 一 o24 丁( 的 图1 3 ：s r 2 r u 0 4 的电阻率温度关系，瓦为1 k 1 9 8 6 年b e d n o r z 和m u l l e r 7 发现的高温超导体引发了一场持续到现在的高 温超导体研究热潮。从材料物理和晶体结构研究中，人们发现准二维的c u 0 2 面 是层状类钙钛矿高温超导体必不可少的元素，因为许多金属氧化物都可以形成钙 3 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 钛矿结构，于是很自然的，科学家开始寻找非铜氧钙钛矿结构超导体，直到1 9 9 4 年，m a e n o 等人报道了在s r 2 r u 0 4 体系中存在着1 k 的超导相 2 】，从此掀开了研 究钌氧化合物的热潮。图1 3 显示的是s r 2 r u 0 4 面内及面间的电阻，超导转变宽 度很窄，瓦约为1 k 左右，1 k 时的剩余电阻率分别为2 x1 0 地c m ( 面内) 及2 x 1 0 0 q c m ( 面间) ，表明s r 2 r u 0 4 是一个良导体且具有很强的各向异性。 s r 2 r u 0 4 的结构与高温超导体l a 2 。b a x c u 0 4 十分类似，其中s r 位取代了l a ( b a ) 位，r u 取代了c u 位，o 位置不变，r u o 面取代了c u o 面，如图1 4 所示，是 目前发现的唯一一个非铜氧钙钛矿超导体。 4 a 图1 4 ：s q r u 0 4 的结构示意图，它与2 1 4 相高温超导体l a 2 x b a x c u 0 4 有着相 同的类钙钛矿结构 值得一提的是，从高温超导体发现到s r 2 r u 0 4 超导电性的发现，整整经历了 8 年，而且早在1 9 5 9 年r a n d a l l 等人【l 】就已经成功地合成了s r 2 r u 0 4 晶体。为什 么会经历这么长的时间才发现超导相? 可能有几个原因。首先是高温超导体中 c u 是3 d9 ( 自旋s = 1 2 ) ，有奇数个电子，曾经有理论预言自旋为1 2 引起的强量 子涨落是高温超导体的先驱，而r u 为姒4 ，有偶数个电子，使得科学家很早就 4 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 对其失去了信心；其次是高温超导体的母体是m o r t 绝缘体，而s r 2 r u 0 4 是很好 的导体；s r 2 r u 0 4 的超导温度只有l k 左右，远低于4 h e 的温度，需要用3 h e 制 冷机才能达到其超导温度；s r 2 r u 0 4 是p 波超导体，其波函数关联长度很长，使 得超导相对样品的纯度要求严格，少量的杂质就可能导致超导相的消失。m a o 8 】 等人通过生长一系列高纯单晶，发现超导的瓦与剩余电阻率有着密切的联系， 从图1 5 可以看到，超导疋随着剩余电阻率的增加而单调降低，直到电阻率为 1 衅c m 时超导消失。剩余电阻率的增加预示着体系无序的增加，从而破坏了超 导配对，使得瓦随之降低，这个结果支持了p 波超导对称性。 _ 1 2 g o 8 r 0 4 0 tt o123 岛伽qc m l 图1 5 - s r 2 r u 0 4 超导咒随剩余电阻率的关系 8 】。 1 2 2 能带结构及超导能隙 能带计算结果【9 ，1 0 】揭示s r 2 r u 0 4 费米面由三个二维能带组成，分别标记为 a 带、p 带和丫带，前两者由r u4 妃弦轨道产生，后者由4 如轨道决定。a 带是 空穴型，p 带和 r 带是电子型。后来仍有很对后续关于能带的工作，结果基本大 同小异。s h u b n i k h o v d eh a s s ( s d h ) 效应 1 1 和d eh a a s v a na l p h e n ( d h v a ) 1 2 效 应结果证实了理论预言的三带模型。对高纯单晶样品进行磁化率测量，得到的 5 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 c 9 2 m a b 2 如图1 6 a 所示，在高场下可以看到很明显的随磁场的调制效应，对原 始数据经过傅立叶变化，得到磁化强度与磁场频率的关系，如图1 6 b 所示，可 以看到几个峰值出现在三个不同的频段或由这三个频率叠加的频率，如2 a 对应 的频率及a + b 对应的频率，这三个频率分别对应于a 带、p 带和丫带。图1 6 c 为实验所得费米面结构，外面四个柱体对应于空穴型的a 带，中心小的柱体对 应于电子型的b 带，中间较大的柱体对应于电子型的y 带。 56 7891 01 1 21 31 41 5嗨 a m a g n e l i cf i e l d ( 1 3 ， 基 鲁 爵 、_ 一 占 暑 = 萤 c 囊 图1 6 ：s r 2 r u 0 4 d h v a 效应，a 为0 2 m o b 2 随磁场的震荡关系，b 为傅立叶变换后 的数据，c 为根据d h v a 效应得到的能带图【1 2 】。 由于s r 2 r u 0 4 与3 h e 有着类似的c o o p e r 对，r i c e 6 和a g t e r b e r g 1 3 提出了铁 磁涨落作为媒介的电子c o o p e r 配对，并提出了s r 2 r u 0 4 的超导能隙符合 d ( k ) = a 。三( 也4 - i k y ) ，然而，最近的实验证实了情况并非如此简单。非弹性中子散 射实验【4 】发现了体系在( o 6 万，0 6 x ，0 ) 出现非公度反铁磁关联，而并没有如r i c e 提出的出现铁磁涨落。另外，一系列高质量单晶测量的实验结果显示了准粒子激 发与温度有着明显的指数关系。比热结果得到c r 芘t 【1 4 】关系，热导 叫t 芘t 【1 5 】，n q r 驰豫时间l 互o ct 3 【1 6 ，所有的结果都显示超导能隙有节点， 6 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 或者有最小值。d e g u c h i 等人 1 7 ，1 8 仔细研究了s r 2 r u 0 4 的磁场下的比热，揭示 了丫带是活跃的能带，对超导起作用，其在沿【l o o 】方向上的超导能隙有最小值， 而a 带和b 带在沿 1 1 0 方向有能隙最小值或能隙为零。t a n a t a r 等人 1 9 ，2 0 仔细 研究了磁场下的热导来确定超导能隙，他们将磁场在r u 0 2 面内旋转，温度测到 了0 3 5 k ，发现了在凰2 附近超导能隙出现了微小的各向异性。 1 2 3 关于自旋三重态及奇对称的证据 如前所述，不同的s r 2 r u 0 4 超导样品的超导临界温度瓦相差很大，从约1 4 k 到没有超导相，如图1 5 所示，超导温度瓦与剩余电阻率，即样品中的杂质含量 有关，对于传统的超导体来说，少量的杂质不会对超导态的性质有太大的影响， 这种迹象表明s r 2 r u 0 4 的超导机制与传统超导体不同，很有可能是一种自旋三重 态配对超导。 o x l k 一 。、 鼬 s o ( b 一 图1 7 ：s r 2 r u 0 4 的k n i g h t 位移与温度的关系 2 l 】。其中k 1 x 代表o ( 1 ) x 的k n i g h t 位移，k 1 y 代表o ( 1 ) y 的k n i g h t 位移，h e 。代表外加磁场 7 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 关于s r 2 r u 0 4 为自旋三重态配对的最直接证据来自于自旋磁化率的测量。在 金属中，p a u l i 自旋磁化率始来自于z e c m a n 分裂，这种分裂使得产生自旋向上和 自旋向下两个费米面，同时伴随着自由能降低了士z 。日2 。对于自旋单态超导体， c o o p e r 对的形成要求自旋向上和自旋向下的电子数目相等，这就使得瓦附近始 开始减小，丁趋于o k 时，始趋于0 。而对于自旋三重态配对，自旋的配对与费米 面的极化无关，超导的产生不影响始的值。有实验和理论结果显示，对于p 波单 态配对，任意方向的外场，其x s 在疋附近会有少量的降低，而对于其它超导体， 某一个方向的磁场会完全抑制x s 。所以，如果实验上可以观测到极低温下始没有 发生变化，则可以说明是自旋三重态配对的超导体。通过n m r 测量k n i g h t 位移 可以得出自旋磁化率。图1 7 显示的正是k n i g h t 位移与温度的关系，外加磁场平 行c 方向，大小为6 5 k o c ，数据表明o ( 1 ) x 和o ( 1 ) y 的k n i g h t 位移k 1 x 与k l y 在 疋附近直至最低温都没有变化，因为k n i g h t 位移i i l 与始随温度的关系一样， 证明了s r 2 r u 0 4 为自旋三重态配对。 v 3 s , 州2 1 0 ) l s r r u o 【8 1t k 0 0 2 ) j ? 一0 8 毒o 8 3 e 鬯0 4 至- 0 2 x o t ( k ) f j - - f 唧 2 ， 口 z 图1 8 ：自旋极化中子散射，a 为自旋单态配对超导v 3 s i 磁化率与温度的关系， b 为s r 2 r u 0 4 的数据 2 1 】。 另一个给出磁化率的实验是极化中子散射，结果如图1 8 所示。正如理论所期 望的那样，自旋单态配对的超导体在瓦附近自旋磁化率受到抑制。相反的，对于 8 70ioene19o(o苫k 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 自旋三重态的s r 2 r u 0 4 ，即使到了超导态的最低温，测量到的自旋磁化率基本没 有随温度变化。该结果与n m r 的结果一致，自旋磁化率的这种行为表明s r 2 r u 0 4 是一个自旋三重态超导体。 虽然在n m r 实验k n i g h ts h i f t 测量观察到自旋磁化率是一个常数，被认为是 s r 2 r u 0 4 自旋三态超导电性的强有力的证据。可是，有时单态配对也会出现常数 自旋磁化率。比如s 波超导体v ( 矾) 的硒_ i g h ts h i f t ，在瓦处也是不变的。位相敏 感( p h a s e s e n s i t i v e ) 实验提供了对超导序参量的对称性的最严格的测试。l i u 等人 2 1 1 通过测量a u o 5 n o 5 s 1 2 r 1 1 0 4 超导干涉器件，发现在零磁通时临界电流出现了 最小值，而非如传统超导干涉器件一样在零磁通时临界出现最大值，这表明超导 序参量在该处有一个7 【的跳变，实验上确定了s r e r u 0 4 的自旋三重态配对。 1 2 4 正常态性质 s r 2 r u 0 4 有着很强的各向异性，其电阻率在低温下的各向异性可达4 0 0 4 0 0 0 。 p 。在高温下随温度的降低而增加，呈现非相干行为，但当温度降到1 3 0 k 时，电 阻率出现了一个拐点，随后随着温度的降低而降低；面内电阻率陆在3 0 0 k 以下 的温区均表现出金属行为，且p 。和p 西在2 0 k 以下与严成正比，如图1 9 所示 2 2 】， 同时比热测量也呈现c t t 2 关系 2 3 】，表明体系在2 0 k 以下出现费米液体行为。 图1 9 显示的另一个有趣的现象是在2 0 k 以下与温度无关的各向异性。体系存在 很强的各向异性，但仍为三维导体。在c 方向上的电导存在从非相干态到相干态 的转变，得到光电导谱测量的证实【2 4 】。 9 论 星 、。 j 巨 。 呷 o - - ， k t e m i m r a t u r e ( k ) 图1 9 ：s r e r u 0 4 各向异性电阻率 2 】。 图1 1 0 ：外场1 t 下的静态磁化率 2 】。 正常态的静态磁化率) c 如图1 1 0 所示，在5 0 k 左右出现了一个小峰。从原始 1 0 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 数据上看，该静态磁化率很像是由自旋磁化率引起的，然而) c 在整个温区随温度 变化很少，可以排除自旋磁化率的贡献。实验所得静态磁化率) c 共包括自旋磁化 率z s 、顺磁的v a n v l e c k 轨道贡献跏和离子实闭壳层电子的抗磁贡献勋玳，而后 两项与温度无光，将静态磁化率减去两项温度无关的贡献，可以大致得到自旋磁 化率为0 9 1 0 一e m u m o l 。 j i l l 等人 2 5 】和h u s s y 等人【2 2 】分别各自测量了s r 2 r u 0 4 正常态面内和面间磁 阻，如图1 1 l 所示，在低温下，当磁场超过一定大小的时候，面内p a b 和面间电 阻率p 。随磁场成正的线性关系，直到温度超过8 0 k ，磁阻由正变到负值。这种线 性磁阻是一种比较反常的现象，不能用通常的输运理论来解释。作者提出在8 0 k 时出现了自旋赝能隙，系统进入相干态。h a l l 系数在8 0 k 附近也出现了一个最大 值，随着温度的降低，h a l l 系数逐渐降低最后变成负数，这在一定的程度上证实 了相干态的出现。该相干态随后在c 轴的红外光导上得到证实，p u c h e r 等人 2 6 】 研究了s r 2 r u 0 4 及t i 掺杂情况的光导谱，发现在1 0 0 k 以下散射率出现了反常， 用理论公式拟合之后发现了一个大小为6 3m c v 的能隙，提出了该能隙是在磁激 发谱上的。 图1 1 1 ：h c 时的面内电阻率p a b 在不同温度下随磁场的变化关系。 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 1 2 5 磁性涨落 与3 h e 相类似，有理论和实验曾提出s r 2 r u 0 4 的超导相由铁磁涨落所引起。同 时，r p 系列中i - - - - o o 的s r r u 0 3 在1 6 5 k 以下为巡游铁磁体，作为i 冲体系另一端 的s r 2 r u 0 4 ，很自然会让人联想到是否存在着铁磁涨落，r i c e 6 和m a z i n 2 7 等 人曾理论上提出s r 2 r u 0 4 是铁磁涨落引导的自旋三重态超导体。随后，铁磁涨落 的证据由i m a i 等人 3 通过n m r 测量给出。通过s r 2 r u 0 4 的1 7 0n m r 测量，i m a i 等人分离出了r u 和4 d r , , 及的自旋磁化率，并发现只有r u4 如的自旋磁化率 随着温度发生变化并在4 0 k 左右出现一个最大值。如图1 1 2 所示，1 7 1 t , t 和 1 0 1 1 仍丁随着温度降低而增加，到费米液体温度t f l ：2 5 k 处趋于饱和，自旋驰豫 时间在t 。- 8 0 k 的附近出现拐点，表明铁磁涨落在r 处趋于饱和。 ： ( a ) ： j t r 的：圣辱 一 芝一。x k - x i c x ：(b)： 要毒。i t 阅 图1 1 2 ：o ( 1 ) 和o ( 2 ) 位的核自旋驰豫时间1 7 1 厂r l 以及r u 位的自旋驰豫时间1 0 11 t t 随后的非弹性中子散射( i n s ) 实验【4 】并没有观测到铁磁涨落，相反的，发现体 系中存在着非公度反铁磁涨落，如图1 1 3 所示。该i n s 测量提出了费米面叠套 ( n e s t i n g ) 导致了非公度反铁磁涨落，该涨落发生在( 0 6 z r ，o 6 r r ，