溫度是自然科學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)物理量，在現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)尤其是凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)中，通過改變溫度研究材料的物理相變特性已經(jīng)成為了一種常規(guī)和必要的手段。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的低溫測(cè)量設(shè)備和測(cè)量手段變得觸手可及。
通常，在溫度低于1K以下并不斷接近于絕對(duì)零度的過程中，電子-聲子散射作用逐漸被抑制，從而能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，這對(duì)于探索材料的本征物理特性具有重大意義，同時(shí)也拓展了材料研究新的領(lǐng)域，例如非常規(guī)超導(dǎo)體重費(fèi)米子材料、自旋液體材料等引發(fā)的對(duì)BCS超導(dǎo)理論、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子復(fù)雜行為、量子阻挫行為的深入探討。
然而目前傳統(tǒng)的mK溫度下的測(cè)量手段仍然非常有限，mK溫度的測(cè)量對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，微弱的擾動(dòng)都可能導(dǎo)致溫度的劇烈波動(dòng)，使得電學(xué)輸運(yùn)的研究手段成為了長(zhǎng)久以來“僅有”的選擇。人們也似乎很難將常規(guī)需要在探測(cè)線圈中移動(dòng)樣品才能進(jìn)行的磁學(xué)測(cè)量手段與mK限低溫聯(lián)系起來。
近年來Quantum Design公司在低溫測(cè)量領(lǐng)域的開發(fā)仍在不斷延伸，成功推出了基于MPMS3磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的低溫氦三直流磁學(xué)測(cè)量組件iHelium3和基于PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)稀釋制冷機(jī)的ACDR交流磁化率組件，成功實(shí)現(xiàn)了mK溫度區(qū)間的直流磁學(xué)和交流磁學(xué)的測(cè)量功能，是繼mK電學(xué)、熱學(xué)測(cè)量功能后補(bǔ)全的又一塊拼圖。在此限低溫下對(duì)磁性的研究將有助于科研工作者對(duì)超導(dǎo)材料的抗磁特性、臨界電流、中間態(tài)能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫特性等進(jìn)行深入的研究。
精彩案例
1. 低溫下重費(fèi)米子材料NdV2Al20的超導(dǎo)特性研究
2016年日本富山大學(xué)並木孝洋教授課題組在0.5-2.5K范圍對(duì)重費(fèi)米子材料NdV2Al20在低溫的超導(dǎo)特性進(jìn)行了細(xì)致研究，除了采用常規(guī)的電學(xué)測(cè)量外，也使用MPMS系統(tǒng)的iHelium3選件對(duì)NdV2Al20材料在[001][101][111]三個(gè)方向的0.01T和0.1T背景場(chǎng)下的MT曲線進(jìn)行了測(cè)試，并通過該數(shù)據(jù)對(duì)材料的Tc相變點(diǎn)進(jìn)行了判定。
MPMS3 iHelium3選件測(cè)量NdV2Al20材料在[001][101][111]三個(gè)方向的MT直流磁化率曲線@0.01T&0.1T
J. Phys. Soc. Jpn.85, 073706 (2016)
2. 低溫下Al6Re鋁錸合金超導(dǎo)體相關(guān)性質(zhì)研究
2019年復(fù)旦大學(xué)封東來、李世燕教授課題組對(duì)Al6Re鋁錸合金一類超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的交直流磁化率分別通過MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機(jī)交流磁化率組件進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)該材料在不同穩(wěn)態(tài)背景磁場(chǎng)下的抗磁特性進(jìn)行了分析，并通過M-H曲線通過磁場(chǎng)抑制超過臨界值Hc瞬間失超的特性進(jìn)一步確認(rèn)了其一類超導(dǎo)材料的身份。隨后又結(jié)合BCS理論對(duì)50mK-1K的交流磁化率數(shù)據(jù)的磁滯特性進(jìn)行了細(xì)致分析。
MPMS3 iHelium3測(cè)量到的Al6Re在mK溫區(qū)的直流磁化率曲線MT、MH(@0.4K)
DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測(cè)量的Al6Re在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線
PHYSICAL REVIEW B99, 144519 (2019)
