NiAl合金和硫族磁性化合物中的量子临界现象研究

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OK，在该临界压力（Pc）、磁场（Hc）或者临界替代浓度（xc）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，H，x）变化所诱导的这种从磁有序态转变为无序态的T=OK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（T，H；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（pc、Hc或xc）附近样品的物性，在更多的磁性系统中，证实其非Fermi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Ni3Al1-x Gax中的量子临界现象研究。我们采用Arc-Melting方法制备了不同Ga替代浓度的Ni3Al1-xGax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Ga替代浓度x值的增加,系统的铁磁相变温度逐渐降低,在x=0.34附近被抑制至0 K,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Ni3Al1-xGax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M∞H1/3和1/χinitial∝T4/3标度律行为；不同温度下,与自旋量子涨落谱相关的γ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 oc-logT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NiS2-xSex中的反铁磁量子临界现象研究。针对NiS2-xSex系统在x=1.0附近发生的反铁磁-顺磁的量子相交,制备了一系列NiS2-xSex(x=0.96,0.98,1.00,1.05,1.10和1.20)多晶样品,对其结构、磁性质和电阻率进行了系统的观测。结果发现：样品磁化率-温度关系呈现典型的强关联电子系统特征,NiS2-xSex(x1.0)中存在两类载流子,一类是巡游的,另一类是局域的,甚至可能存在动态的电子相分离；与铜氧化物超导体的正常态具有类似的电阻率-温度关系的线性行为；在反铁磁量子临界点附近的x=0.98和x=1.00样品,由于存在强烈的量子自旋涨落效应,低温下(3-30 K)其电阻率-温度满足p(T)∞T3.2关系,呈现非费米液体行为,而在偏离临界点(如x=1.10和1.20)样品的p-T又呈现费米液体理论所预期的T2关系。
　　 第四章有关Co(S1-xSex)2中的铁磁量子相变研究。针对Co(S1-xSex)2系统在x=0.11附近发生的铁磁金属到顺磁金属相变，制备了一系列不同Se替代浓度的样品，对其结构和电阻率-温度ρ(T)关系进行了系统观测，结果发现：系统铁磁相变温度Tc随着Se替代浓度的增加，以x关系单调下降，铁磁相变也由二级转变为一级相变。在临界浓度x=0.11附近，其ρ(T)关系由Fermi液体行为转变为非Fermi液体行为。
　　 第五章重费米子系统Ce1-xYxIn3中Y部分替代对其反铁磁有序抑制的研究。在采用助溶剂方法生长出具有不同Y替代浓度的Ce1-xYxIn3单晶样品的基础上,对其结构和磁性质进行了系统研究。结果发现,随着Y替代浓度的增加,其反铁磁相变温度单调下降,在x=0.38附近,其反铁磁相变温度被抑制至0 K,获得了Ce1-xYxln3系统磁相图。
　　 第六章近铁磁超导体MgCNi3的第Ⅱ类超导电性研究。采用高压合成的方法制备出高品质的MgCNi3超导多晶样品,其超导体积比接近100％。通过对其磁通钉扎机制的研究发现：其低场下的磁通钉扎主要起源于晶粒内部的晶格缺陷,与常规的固态反应法制备的多晶样品存在本质区别；同时还观测到高场下磁通格子软化所导致的体钉扎力峰值行为。另外,我们的研究还表明：用高压合成得到MgCNi3超导多晶样品4.2 K的临界电流密度与商业应用的NbTi线相当,为将来MgCNi3超导体材料的应用提供了一个可行的制备方法。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 文献综述

1.1 有关量子相变的实验研究进展

1.1.1 巡游电子铁磁体ZrZn?中的量子相变

1.1.2 重费米子系统Celn3中的量子相变

1.1.3 Sr3Ru2O7中磁场调节的量子相变

1.1.4 高温超导体中存在量子相变吗？

1.2 有关量子相变的理论研究

1.2.1 量子临界点附近的标度律理论

1.2.2 自洽重正化自旋涨落理论

1.2.3 有关非费米液体行为的其他理论模型

1.3 本论文的研究内容及其意义

参考文献

第二章 巡游电子铁磁系统Ni?Al?Ga??x中的量子临界现象研究

2.1 引言

2.2 样品制备

2.3 实验结果及分析

2.3.1 结构分析

2.3.2 Ni3Al1-xGax系统的磁相图和量子相交

2.3.3 巡游电子铁磁相的自发磁矩-温度关系

2.3.4 量子自旋涨落能谱的磁场、温度关系

2.3.5 自旋量子涨落对低温比热的贡献

2.3.6 电阻率-温度关系的非费米液体行为

2.4 本章小节

参考文献

第三章 NiS2-xSex中的反铁磁量子临界现象研究

3.1 引言

3.2 样品制备及测量

3.3 实验结果及分析

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pT1.5

3.4 本章小节

参考文献

第四章 Co(S1-xSex)2中的铁磁量子相变研究

4.1 引言

4.2 样品制备

4.3 实验结果及分析

4.3.1 结构分析

4.3.2 电阻率结果分析

4.4 本章小节

参考文献

第五章 重费米子Celn3体系中的Y元素替代效应研究

5.1 引言

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

第六章 近铁磁金属MgCNi?的超导电性研究

6.1 引言

6.2 样品制备

6.3 实验结果及讨论

6.3.1 结构分析

6.3.2 Mg2.1C1.45Ni3的超导电性研究

6.3.3 Mg2.1C1.45Ni3的磁通钉扎研究

6.4 本章小节

参考文献

总结

作者简历及攻读博士期间的主要研究成果