研究揭示磁场驱动三维阻挫磁性材料的量子临界现象
作者：李涛
审核：李涛
日期：2018年04月11日 00:00
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研究揭示磁场驱动三维阻挫磁性材料的量子临界现象
文章来源：合肥物质科学研究院 发布时间：2018-04-10
近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、中国科学技术大学、复旦大学和美国田纳西大学组成的合作研究团队，利用强磁场、极低温极端条件在三维阻挫磁性材料ZnCr2Se4的物性研究中取得新进展。该团队通过强磁场、极低温下的直流/交流磁化率、热导和比热等测量手段，完善了ZnCr2Se4的磁场-温度相图，并发现了一个磁场诱导的量子相变，相关结果以Field-Driven Quantum Criticality in the Spinel Magnet ZnCr2Se4 为题发表在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
过渡金属氧、硫属尖晶石ACr2X4 (A = Zn, Cd, Hg; X = O, S, Se)是一类典型的磁阻挫体系，在低温下这类材料具有复杂的磁基态，并表现出磁场诱导的分数磁化强度平台、零能模式等奇异的量子行为；此外，随着外加磁场的增加，ACr2X4体系在螺旋自旋序和完全极化态之间，还普遍存在一个未确定的新相。针对这个未确定的新相，人们提出了两种可能的解释：雨伞状的自旋态或者自旋液晶相，这两者都将破坏自旋旋转对称性。
为了探寻这个未知新相的物理本质，团队研究人员通过极低温和强磁场下的物性测量，拓展了ZnCr2Se4材料的温度-磁场相图，实验确定该新相存在于临界磁场HC2和HC3之间，HC2随着温度降低逐渐向高场移动，而HC3逐渐向低场移动，并最终重合在一个量子临界点，表明绝对零度下螺旋自旋序到完全极化态之间的转变为量子相变，而在HC2和HC3之间存在的未知新相为磁场诱导的量子临界区域（如图所示），该量子临界区域具有不寻常的临界模式，不能被简单的Ising或者Gaussian临界模型所解释；在量子临界点附近（6.5T），比热在极低温下符合T2的指数关系，同时热输运上显示出平均自由程不随温度变化。该工作为阻挫量子临界行为研究提供了新的思路。
强磁场中心顾川川与中国科大赵志颖为文章共同第一作者，强磁场中心研究员杨昭荣与中国科大教授孙学峰、复旦大学教授陈钢和田纳西大学教授周海东为文章共同通讯作者。
上述研究成果得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。
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