Hvordan opfører elektroner sig i kvantekritiske ferromagneter?

I en klassisk andenordens faseovergang, systemer til kondensstoffer får lang rækkefølge ved afkøling under overgangstemperaturen, og ejendommene nær overgangen er drevet af termiske udsving. Denne adfærd er længe blevet forklaret af Landau -teorien om faseovergange, hvilket fører til forestillingen om universalitet, hvorved systemer med meget forskellige mikroskopiske bestanddele udviser visse universelle makroskopiske adfærd tæt på en faseovergang.

Nogle systemer til kondenseret stof, imidlertid, kan indstilles, så faseovergangen undertrykkes til nul temperatur ved et kvantekritisk punkt (QCP), hvor adfærden ikke længere er drevet af termiske udsving, men derimod ved kvantesvingninger, der opstår som følge af Heisenbergs usikkerhedsprincip.

Tunge fermionsystemer er metalliske materialer, der består af både et gitter af godt lokaliserede uparrede elektroner (typisk 4f eller 5f elektroner), og et hav af ledningselektroner. Disse er ideelle til at studere kvantekritiske punkter, da der er en delikat balance mellem magnetiske interaktioner, som fører til et ordnet mønster af magnetiske øjeblikke, og sammenfiltring mellem centrifugeringerne af de lokaliserede elektroner og ledningselektroner, som slukker de magnetiske øjeblikke.

Ved at påføre tryk eller magnetiske felter på tunge fermionsystemer, eksperimenter kan justere balancen mellem disse interaktioner, og derfor kan de undertrykke overgangen til den magnetisk ordnede fase til lavere temperaturer, til sidst at nå et nul-temperatur kvantekritisk punkt.

Kvantekritiske punkter nået ved undertrykkelse af en antiferromagnetisk overgang har, i mange år, været en vigtig ramme for at udforske ny fysik. Dette inkluderer usædvanlige faser af stof, såsom magnetisk superledning, samt nedbrydning af Fermi væskeadfærd, hvilket betyder, at de elektroniske excitationer ikke længere svarer til elektronenes væske, men i stedet for dem af et 'mærkeligt metal', hvor fysiske størrelser såsom elektrisk resistivitet og varmekapacitet udviser en usædvanlig temperaturafhængighed. Sådan mærkelig metaladfærd findes i et par forskellige klasser af kvantematerialer, og menes at være nært forbundet med supraledningsevnen ved høje temperaturer af cuprate superledere.

På den anden side, kvantekritiske punkter findes generelt ikke ved undertrykkelse af en ferromagnetisk overgang, og de blev teoretisk forudsagt ikke at forekomme i rene uforstyrrede fri ferromagnetiske materialer. I stedet, forsøg på at undertrykke den ferromagnetiske overgang fører enten til den pludselige forsvinden af ​​den første orden af ​​magnetisk orden, eller en ændring af magnetisk jordtilstand. For nylig, Prof. Yuan og hans team på Center for Correlated Matter, Zhejiang University har omstyrtet denne fremherskende konsensus ved deres opdagelse af, at trykpåføring jævnt kan undertrykke ferromagnetisk orden i det rene tunge fermionsystem CeRh6Ge4 til nul temperatur, når et ferromagnetisk kvantekritisk punkt.

De satte tryk på enkeltkrystaller af høj kvalitet af CeRh6Ge4 og målte den elektriske resistivitet og varmekapacitet ved meget lave temperaturer ned til 40mK, for at spore skæbnen for den ferromagnetiske overgang med tryk. Ved påføring af 0,8 GPa tryk, det blev konstateret, at den ferromagnetiske overgang undertrykkes fuldstændigt, og i stedet afsløres en 'underlig metal' -fase, med en lineær temperaturafhængighed af resistiviteten, og en logaritmisk divergens af den specifikke varmekoefficient (figur 1), som er bemærkelsesværdigt ens adfærd til dem, der findes i cuprate superledere.

For at afsløre oprindelsen til denne uventede adfærd, som tidligere var forudsagt at være umulig, en lang række opfølgende eksperimentelle undersøgelser blev udført af forskere ved Center for Korreleret Materiale. Af særlig betydning er at karakterisere den elektroniske struktur af CeRh6Ge4, som kunne løse centrale spørgsmål, såsom om det ferromagnetiske kvantekritiske punkt i CeRh6Ge4 er en 'utraditionel' lokal type kvantekritisk punkt ledsaget af delokalisering af Ce-4f-elektronerne; hjælper spin-orbit-koblingen forårsaget af brudt inversionssymmetri i krystalgitteret med at give anledning til kvantekritisk adfærd; og hvad er den rolle, som det kvasi-endimensionale arrangement af Ce-kæder spiller i krystalstrukturen.

De målte først kvantesvingninger af enkeltkrystaller af meget høj kvalitet af CeRh6Ge4 for forskellige retninger af det anvendte magnetfelt, og sammenlignede resultaterne med dem, der forventes fra beregninger ved anvendelse af densitetsfunktionel teori (fig. 2). Resultaterne blev offentliggjort i Science Bulletin .

Denne undersøgelse afslørede to vigtige fund. Den gennemsnitlige vej for CeRh6Ge4-krystallerne er ekstremt stor, hvilket betyder, at spredningen af ​​ledningselektronerne ved defekter eller andre forstyrrelseskilder er minimal. Dette viser, at deres observation af undertrykkelse af ferromagnetisme ved tryk ikke var forårsaget af uorden, men er et iboende træk ved ren CeRh6Ge4. For det andet, de fandt god overensstemmelse mellem deres resultater og beregninger af båndstrukturen med fuldt lokaliserede Ce 4f-elektroner, og dårlig overensstemmelse, når 4f-elektronerne blev inkluderet og antaget at være omrejsende. Dette viser, at CeRh6Ge4 adskiller sig fra tidligere eksempler på omrejsende ferromagneter, hvor kvantekritiske punkter er fraværende, tyder på, at ferromagnetisme med lokale øjeblikke er afgørende for at realisere ferromagnetiske kvantekritiske punkter. Desuden, disse resultater er i overensstemmelse med forventningerne til kvantekritikalitet af lokal type, men rygende pistol til dette scenario ville være observation af en rekonstruktion af de elektroniske bånd under pres, når CeRh6Ge4 er indstillet gennem det kvantekritiske punkt.

På samme tid, momentumafhængigheden af ​​den elektroniske struktur af CeRh6Ge4 blev også undersøgt ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), hvor resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Her var de i stand til at undersøge temperaturafhængigheden af ​​den elektroniske tilstand af 4f -elektronerne langs forskellige momentumretninger. De fandt ud af, at styrken ved hybridiseringen mellem 4f og ledningselektronerne er meget anisotrop, og er meget stærkere parallelt med Ce -kæderne, end det er langs vinkelret retning. Sådanne direkte beviser for anisotrop kobling er yderst usædvanlige i tunge fermionsystemer, og indikerer, at det endimensionale arrangement af magnetiske øjeblikke også kunne være en vigtig ingrediens for ferromagnetisk kvantekritikalitet.