重费米子化合物CeCo2Ga8及相关材料的单晶生长和物性研究

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重费米子物理是强关联物理里面一个重要的分支。重费米子材料体系里的能量尺度多且复杂,如Kondo效应、RKKY相互作用、晶体场作用、库伦相互作用等,但不同材料里的能量尺度往往不一样,因此各个相互作用之间的微妙竞争和平衡催生出一系列奇异的物理行为,如Kondo效应、重费米子超导、量子临界行为等。而这种平衡一般可以通过外界因素,如磁场、压力、化学掺杂等手段加以调控,从而增强某个效应来加以简化研究重费米子的复杂本质问题。因此,合成制备有效掺杂的重费米子材料,以及生长出高质量单晶,尤其是基于已知重费米子材料发现新型重费米子化合物,对问题研究至关重要。目前重费米子体系的研究趋于饱和,不但受限于强关联理论的复杂,而且受限于新材料的发现。本文主要利用简单成熟的助熔剂法合成了单晶CeCo2Ga8及其相关的重费米子化合物,并利用物性测量系统对其进行了系统的物性表征,主要内容如下:首先我们利用助熔剂法成功合成了CeCo2Ga8单晶,通过粉末XRD和单晶解析证明了和很早之前报道的多晶的结构是一致的,属于正交晶系。根据晶体学参数,该材料在结构上有准一维的结构,可以形成CoGa9笼状结构围成的Ce原子链的结构。电阻和比热数据在低温下都表现出重费米子物理里面的量子临界行为(?T,Cp/T-lnT),磁化率也表现出较强的各向异性,同时Ce原子链方向上的磁化率可以用一维自旋链公式较好地拟合。此外理论计算得到的能带结构和压力下的电阻测试也进一步说明了CeCo2Ga8可能是处在量子临界点附近的准一维重费米子材料。其次,我们用In-Ga合金作为助熔剂成功生长出了CeCoInGa3单晶,其母体为CeCoGa4,都属于正交晶系。单晶解析表明In原子完全占据了母体中Ga原子的一个晶体学位置。这一替换使得平淡无奇的母体变成一种典型的重费米子Kondo格子材料,电阻上表现出明显的Kondo效应,比热反映其电子比热系数在低温下达到172 mJ/mol K2。根据拟合结果给出三个重要的能量尺度大小:相干温度T*≈50 K,自旋波动温度TSF≈9 K,以及费米液体温度TFL≈6 K。磁化率表现出明显的杂化效应,在低温下表现为一个宽峰,且这杂化效应的各向异性与晶体结构紧密相关,和相应的DFT+DMFT理论计算一致。因此该材料的研究对化学掺杂调控和研究各向异性杂化有参考意义。最后,基于对CeCo2Ga8单晶的研究和重费米子领域的最新进展,我们利用助熔剂法成功合成了CePd2Al8单晶。多晶XRD和单晶解析都证实了CePd2Al8是一种全新的Ce-128结构,属于单斜晶系,不同于CeCo2Ga8的正交结构。相较于多晶报道的只有铁磁相变,我们在单晶上看到两个明显的磁性相变(反铁磁TN?9.8 K和铁磁TC?8.7 K)以及磁各向异性。通过电阻、比热和磁化率的加场测量,我们证实了反铁磁的存在,并得到大致的相变温度关于磁场的相图。此外,压力下的电阻测量结果表明:随压力增大,铁磁和反铁磁都会先增强后压制,最后合为一个铁磁极化态,意味着更高压力下该类新材料可能存在进一步的铁磁压制和相关物理的产生。
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