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打破常规,挑战mK温度下的磁学测量——Quantum Design mK温度交直流磁学测量组件


PPMS MPMS 综合物性测量 磁学测量 QD

       温度是自然科学领域中非常重要的一个物理量,在现代物理实验尤其是凝聚态物理实验中,通过改变温度研究材料的物理相变特性已经成为了一种非常常规和必要的手段。随着测量技术的不断发展,越来越多的极低温测量设备和测量手段变得触手可及。

       通常,在温度低于1K以下并不断接近于绝对零度的过程中,电子-声子散射作用逐渐被抑制,从而能够观察到更多被掩盖的量子态,这对于探索材料的本征物理特性具有重大意义,同时也拓展了材料研究新的领域,例如非常规超导体重费米子材料、自旋液体材料等引发的对BCS超导理论、强关联电子复杂行为、量子阻挫行为的深入探讨。

       然而目前传统的mK温度下的测量手段仍然非常有限,mK温度的测量对系统的稳定性要求较高,微弱的扰动都可能导致温度的剧烈波动,使得电学输运的研究手段成为了长久以来“仅有”的选择。人们也似乎很难将常规需要在探测线圈中移动样品才能进行的磁学测量手段与mK极限低温联系起来。

       近年来Quantum Design公司在极低温测量领域的开发仍在不断延伸,成功推出了基于MPMS3磁学测量系统的极低温氦三直流磁学测量组件iHelium3和基于PPMS综合物性测量系统稀释制冷机的ACDR交流磁化率组件,成功实现了mK温度区间的直流磁学和交流磁学的测量功能,是继mK电学、热学测量功能后补全的又一块拼图。在此极限低温下对磁性的研究将有助于科研工作者对超导材料的抗磁特性、临界电流、中间态能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫特性等进行深入的研究。

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精彩案例

1.  极低温下重费米子材料NdV2Al20的超导特性研究

       2016年日本富山大学並木孝洋教授课题组在0.5-2.5K范围对重费米子材料NdV2Al20在极低温的超导特性进行了细致研究,除了采用常规的电学测量外,也使用MPMS系统的iHelium3选件对NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的0.01T和0.1T背景场下的MT曲线进行了测试,并通过该数据对材料的Tc相变点进行了判定。

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MPMS3 iHelium3选件测量NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的MT直流磁化率曲线@0.01T&0.1T

J. Phys. Soc. Jpn. 85, 073706 (2016)

2.  极低温下Al6Re铝铼合金超导体相关性质研究

       2019年复旦大学封东来、李世燕教授课题组对Al6Re铝铼合金一类超导体在超导转变温度附近的交直流磁化率分别通过MPMS3的iHelium3组件和DynaCool的ACDR稀释制冷机交流磁化率组件进行了测量。对该材料在不同稳态背景磁场下的抗磁特性进行了分析,并通过M-H曲线通过磁场抑制超过临界值Hc瞬间失超的特性进一步确认了其一类超导材料的身份。随后又结合BCS理论对50mK-1K的交流磁化率数据的磁滞特性进行了细致分析。

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MPMS3 iHelium3测量到的Al6Re在mK温区的直流磁化率曲线MT、MH(@0.4K)

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DynaCool系统ACDR选件测量的Al6Re在mK温区的交流磁化率曲线

PHYSICAL REVIEW B 99, 144519 (2019)