溫度是自然科學(xué)域中非常重要的個(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，改變溫度測(cè)量研究材料的物理相變性已經(jīng)成為了非常常規(guī)和必要的種手段。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的低溫測(cè)量設(shè)備和測(cè)量手段變得觸手可及。

    在1K以下，不斷接近于對(duì)零度的過(guò)程中電子-聲子散射作用逐漸被抑制，能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，對(duì)材料的本征物理性的研究具有重大意義，同時(shí)也拓展了材料研究新的域。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，在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(lái)“唯·”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(lái)。

    近年來(lái)，Quantum Design公司在低溫測(cè)量域的開(kāi)發(fā)仍在不斷延伸，推出了基于MPMS3磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的低溫iHelium3氦三直流磁學(xué)測(cè)量組件和基于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)材料的抗磁性、臨界電流、中間態(tài)能隙以及自旋玻璃材料自旋量子阻挫性等進(jìn)行深入的研究。

精選案例：

1.  低溫下重費(fèi)米子材料NdV₂Al₂₀的超導(dǎo)性研究

    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低溫的超導(dǎo)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(guò)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

【參考】T. Namiki, Q. Lei, Y. Isikawa, K. Nishimura, Possible Heavy Fermion State of the Caged Cubic Compound NdV₂Al₂₀. Journal of the Physical Society of Japan 85, 073706 (2016).2016年日本

2.  Kagome 金屬 CsV₃Sb₅ 的超導(dǎo)性研究

    中科院物理所科研團(tuán)隊(duì)對(duì)籠目金屬CsV₃Sb₅的磁化率測(cè)量同樣用了MPMS3的iHelium3選件，測(cè)量到了低至0.4K的直流磁化曲線，很好地符合了邁斯納效應(yīng)的超導(dǎo)抗磁性線性關(guān)系。

Cs₃Sb₅單晶的等溫磁化強(qiáng)度和各向異性下臨界場(chǎng)研究

【參考】S. Ni et al., Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV3Sb5. Chinese Physics Letters 38, 057403 (2021).

3.  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(lái)、李世燕教授課題組合作通過(guò)MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機(jī)交流磁化率組件對(duì)Al₆Re鋁錸合金類(lèi)超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的直、交流磁化率進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)該材料在不同穩(wěn)態(tài)背景磁場(chǎng)下的抗磁性進(jìn)行了分析，并根據(jù)M-H曲線在磁場(chǎng)超過(guò)臨界值Hc瞬間失超的性進(jìn)步確認(rèn)了其類(lèi)超導(dǎo)材料屬性。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

【參考】D. C. Peets et al., Type-I superconductivity in Al₆Re. Physical Review B 99, 144519 (2019).

4.  低溫下NaYbO₂超導(dǎo)體相關(guān)性質(zhì)研究

    加州大學(xué)圣巴巴拉分校Stephen D. Wilson研究團(tuán)隊(duì)在mK溫區(qū)分別對(duì)NaYbO₂量子有序態(tài)和無(wú)序態(tài)的交流磁化率進(jìn)行了研究，并判定了有序和無(wú)序的臨界條件，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Physics期刊上。

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測(cè)量的NaYbO₂在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

【參考】M. M. Bordelon et al., Field-tunable quantum disordered ground state in the triangular-lattice antiferromagnet NaYbO₂. Nature Physics 15, 1058-1064 (2019).

5.  低溫下Yb₂GaSbO₇材料磁性相關(guān)研究

    同樣是加州大學(xué)圣巴巴拉分校C. R. Wiebe研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)Yb₂GaSbO₇材料磁基態(tài)的研究中觀察到350mK的馳豫行為，并在隨后的頻率和交流磁化率依賴(lài)性無(wú)關(guān)的測(cè)量結(jié)果中推斷出該材料不存在傳統(tǒng)自旋玻璃態(tài)，并用交流磁化率的高階諧波功能對(duì)相變機(jī)理進(jìn)行了更深入研究。

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測(cè)量的Yb₂GaSbO₇在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

【參考】P. M. Sarte et al., Dynamical ground state in the XY pyrochlore Yb₂GaSbO₇. npj Quantum Materials 6, 42 (2021).

    MPMS和PPMS的低溫磁學(xué)測(cè)量組件填·補(bǔ)了低溫mK溫區(qū)磁學(xué)測(cè)量的空白，結(jié)合主機(jī)系統(tǒng)的易用可靠的勢(shì)成功化解了諸多測(cè)量難題。截止2021年底，國(guó)內(nèi)已安裝MPMS系統(tǒng)He3選件14套，稀釋制冷機(jī)交流磁化率組件6套，分布于北大、物理所、復(fù)旦、人大等多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，為超導(dǎo)、自旋液體、重費(fèi)米子等關(guān)聯(lián)電子材料研究提供了更多的實(shí)驗(yàn)手段，為具有阻挫磁性的籠目材料、二維van der Waals磁性材料和拓?fù)浯判圆牧系惹把責(zé)狳c(diǎn)域的低溫量子現(xiàn)象探究提供了更多的測(cè)量平臺(tái)。

相關(guān)產(chǎn)品：

1、DYNACOOL *無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)

https://www.chem17.com/product/detail/16863022.html