2018-12-22 11:40:01
Kondo metamagnet是偏心量子晶体系列中的第一个

在大多数家庭中都有一个古怪的东西,但莱斯大学的物理学家艾米莉亚·莫罗桑发现了一整套古怪的化合物,可以帮助解释其他量子材料工程师为下一代计算机和电子设备所做的神秘的电子和磁性工作。

Morosan和30位合着者描述了第一个家族成员 - 一个由镱,铑和硅制成的“半金属Kondo晶格”,本周在美国物理学会杂志上的一项研究中,比例为1比3到7分。物理评论X(PRX)。该论文描述了YbRh3Si7-“metamagnetism”和“low-carrier Kondo”效应的两个特性 - 这些特性以前很少在同一材料中测量过。

Morosan的实验室专门研究量子材料的设计,发现和合成,在戈登和贝蒂摩尔基金会量子系统倡议(EPiQS)的紧急现象的支持下,创建了1-3-7的新系列。她说,在摩尔资助的研究之前,科学文献中已经描述了少数1-3-7。在她的小组发现的1-3-7家族中的几种化合物中,有四种是磁性的,三种是基于镱的,并且“每种化合物都比最后一种更令人惊讶”,她说。

“首先,这使我们有机会自己理解所有这些,然后相互理解它们,”Morosan说,他于2014年被任命为摩尔基金会EPiQS材料综合研究员。“例如,它们之间的结构和化学差异非常小。晶格参数几乎相同。人们可以预期,这些相关化合物的物理变化将是最小的,但我们发现磁性和传输性质有很大不同。如果我们能理解为什么在这个家族中发生的事情,它可能允许我们搜索具有我们想要的属性的化合物。“

在YbRh3Si7和所有其他晶体中,原子以有序的方式排列。每个晶体都有自己的标志性结构图案或晶格。在含有铁或镱等磁性元素的晶体中,晶格中原子的有序排列通常与磁性顺序齐头并进。

例如,每个电子的作用就像一个微小的旋转磁棒,在其自旋轴的两端都有一个正负磁极。电子的磁矩指的是自旋轴指向的方向,并且在铁和镱等元素中,每个元素包含许多电子,原子可以具有强大的集体磁矩。在铁磁体中 - 这些材料粘在无数的冰箱和汽车上 - 这些磁矩都指向一个方向。在反铁磁体中,如YbRh3Si7,一半的力矩指向一个方向,一半指向相反的方向。

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对于研究新磁性材料(如YbRh3Si7)的人来说,探测磁性顺序的一种方法是通过诱导瞬间指向另一个方向以响应外部磁场。通过测量改变磁矩指向所需的场能量,物理学家可以更多地了解晶格在磁矩表达方式中的作用。

在大多数材料中,随着强度的增加,原子的磁矩逐渐朝向外场的方向旋转。在超磁体中,即使在施加外部场时,晶体场的力也会发挥作用,使得力矩保持锁定在适当的位置。但是当场能达到一个临界水平时,瞬间瞬间就会瞬间进入一个与场地更紧密对齐的新布局。如果场强足够增加,可以使力矩与场对齐,但“只能通过这种逐步变化的进展,让人想起魔鬼的楼梯,”Morosan说。

元磁性跃迁的发现是YbRh3Si7结晶结构中出现奇怪现象的第一个线索。

研究的共同作者,莫桑桑集团的研究生Macy Stavinoha说:“基于镱的化合物中很少有超磁性的例子。” “这种转变使我们看到了潜在的磁性结构,这非常复杂。我们不得不使用多种技术来确认所涉及的内容。”

为解读材料的磁性顺序而进行的为期八年的实验性探险由前博士领导。学生和合着者Binod Rai包括前往田纳西州橡树岭国家实验室,马里兰州国家标准与技术研究所,英国卢瑟福阿普尔顿实验室,佛罗里达州国家高磁场实验室和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室。

Morosan说,这些实验帮助她的团队破解了YbRh3Si7中结构,电子和磁力等混乱的竞争。

“没有什么比这更简单的了,你可以坐下来看看实验中的数据并立即告诉发生了什么,”她说。

例如,实验表明,当垂直于零场力矩方向施加磁场时,YbRh3Si7中的超磁转变发生在较低的场。这与几乎所有其他基于镱的化合物中的磁性转变形成对比,这种化合物在施加的场与力矩方向平行时发生。 Morosan说,这表明YbRh3Si7中不同能量级之间的微妙平衡。

在磁矩和传导电子之间增强的相互作用中可以看到材料中竞争能量标度的另一个例子。当载流子电子 - 电流中的流动粒子 - 与镱原子中的磁性排列电子相互作用时,这种相互作用被称为“Kondo屏蔽”。 Stavinoha表示这令人费解,因为YbRh3Si7的载流子电子密度低于大多数已知的Kondo材料。

“你很少在一个同构化合物家族中发现多个Kondo系统,”Stavinoha说。 “在1-3-7系列中,我们发现了三种具有不同磁性和电子特性的Kondo系统。结构相似性和物理性质差异的组合为比较研究提供了很好的机会。”

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