打破常規，挑戰mK溫度下的磁學測量——mK溫度交直流磁學測量組件

時間：2020-11-18閱讀：1335

溫度是自然科學域中非常重要的個物理量，在現代物理實驗尤其是凝聚態物理實驗中，通過改變溫度研究材料的物理相變性已經成為了種非常常規和必要的手段。隨著測量技術的不斷發展，越來越多的低溫測量設備和測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，這對于探索材料的本征物理性具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的域，例如非常規超導體重費米子材料、自旋液體材料等引發的對BCS超導理論、強關聯電子復雜行為、量子阻挫行為的深入探討。

然而目前傳統的mK溫度下的測量手段仍然非常有限，mK溫度的測量對系統的穩定性要求較高，微弱的擾動都可能導致溫度的劇烈波動，使得電學輸運的研究手段成為了長久以來“僅有”的選擇。人們也似乎很難將常規需要在探測線圈中移動樣品才能進行的磁學測量手段與mK限低溫聯系起來。

近年來Quantum Design公司在低溫測量域的開發仍在不斷延伸，成功推出了基于MPMS3磁學測量系統的低溫氦三直流磁學測量組件iHelium3和基于PPMS綜合物性測量系統稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件，成功實現了mK溫度區間的直流磁學和交流磁學的測量功能，是繼mK電學、熱學測量功能后補全的又塊拼圖。在此限低溫下對磁性的研究將有助于科研工作者對超導材料的抗磁性、臨界電流、中間態能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫性等進行深入的研究。

精彩案例

1. 低溫下重費米子材料NdV₂Al₂₀的超導性研究

2016年日本富山大學並木孝洋教授課題組在0.5-2.5K范圍對重費米子材料NdV₂Al₂₀在低溫的超導性進行了細致研究，除了采用常規的電學測量外，也使用MPMS系統的iHelium3選件對NdV₂Al₂₀材料在[001][101][111]三個方向的0.01T和0.1T背景場下的MT曲線進行了測試，并通過該數據對材料的Tc相變點進行了判定。

MPMS3 iHelium3選件測量NdV₂Al₂₀材料在[001][101][111]三個方向的MT直流磁化率曲線@0.01T&0.1T

J. Phys. Soc. Jpn. 85, 073706 (2016)

2. 低溫下Al₆Re鋁錸合金超導體相關性質研究

2019年復旦大學封東來、李世燕教授課題組對Al₆Re鋁錸合金類超導體在超導轉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稀釋制冷機交流磁化率組件進行了測量。對該材料在不同穩態背景磁場下的抗磁性進行了分析，并通過M-H曲線通過磁場抑制超過臨界值Hc瞬間失超的性進步確認了其類超導材料的身份。隨后又結合BCS理論對50mK-1K的交流磁化率數據的磁滯性進行了細致分析。