中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中央
凝聚态物理学是通过研究构成凝聚态物质(固体和液体)的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律，从而认识其物理性子的学科。凝聚态物理学这一名称最早涌现于20 世纪70 年代，它是固体物理学的向外延拓。经由半个多世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最大也是最主要的分支学科之一，在半导体、超导、磁学等许多学科领域中取得的重大造诣为发展新材料、新器件和新工艺供应了科学根本，有些在当代高新技能领域中已起到关键性浸染。同时其不断呈现出新的前沿研究热点，如近年来广受关注的拓扑材料与二维材料等。而凝聚态物理学研究中所利用的实验条件也从常规条件发展到极度条件以及多种极度条件相结合。
利用磁场来探索凝聚态系统电子构造是当前凝聚态物理学研究中的一种主要方法，通过磁场对材料内部电子的浸染，可以帮助我们得到材料内部的许多微不雅观信息。磁场越强，对电子的浸染就越大，并且有些物理征象只发生在极高的磁场下，因此磁场越强能够得到的信息也就越多。稳态强磁场实验装置为凝聚态物理学实验研究供应了最高达45.22 特斯拉的极度稳态强磁场环境，同时可以结合超低温与超高压等极度实验条件，为干系方向的研究职员供应了一个独特的极度条件实验平台，并已帮助浩瀚用户取得了精良的科研成果。本文挑选了几个具有代表性的成果来展示稳态强磁场实验装置在凝聚态物理学几个方向上的主要运用。
一
拓扑材料
拓扑学，是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性子的学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。有关拓扑学的一个有趣示例便是一个带手柄的杯子如何变成一个甜甜圈。如图1 所示，先将杯子的底部移动到顶部，再将杯子向中间挤压，末了拉伸一下手柄，这样一个带手柄的杯子就变成了一个甜甜圈。
图1 杯子变甜甜圈示意图
近年来的干系研究表明，可以将拓扑这一观点利用到凝聚态物理体系上，某些材料的能带具有拓扑性子并可通过拓扑不变量进行描述，这便是拓扑材料，其电子等准粒子构造具有拓扑特性。拓扑材料体系的研究范畴包括：固体材料中电子、声子、磁振子以及等离激元等元引发谱的拓扑分类研究；各种拓扑材料的材料成长、制备和物相表征；各种拓扑材料的拓扑物性研究，包括谱学、输运、磁性、光学特性等。拓扑材料紧张分为拓扑绝缘体、拓扑半金属等。拓扑绝缘体是指其体态为有能隙的绝缘体，而边界上具有导电通道的拓扑能带构造的材料。电子在边缘态上传输时不会受到杂质的散射，不会花费能量，因此具有巨大的运用潜力，有关拓扑绝缘体的研究也是当今凝聚态物理的热点。我国科学家对拓扑绝缘体的研究做出了巨大贡献。2009 年理论预测了Bi2Se3 家族为拓扑绝缘体，随后又理论预测掺杂磁性原子Fe 或Cr 的Bi2Se3薄膜可以实现反常量子霍尔效应，终极这些理论预测都得到了实验证明。
随着拓扑绝缘体的创造，材料的拓扑性子和新颖的量子效应在过去十年中引起了广泛的关注。拓扑材料家族已从最初的拓扑绝缘体逐渐扩展到狄拉克半金属和外尔半金属。狄拉克半金属和外尔半金属都属于拓扑半金属，其范例特色为价带和导带打仗点的涌现。到目前为止，人们已经创造了多种类型的拓扑半金属，其类型可以通过能带打仗点的属性加以区分，例如打仗点的简并度、打仗点是否连成封闭曲线以及价带和导带在能量上是否有能量交叠等。这些属性的区分极大地扩展了拓扑半金属家族。在实验上证明了狄拉克半金属和外尔半金属的存在则将拓扑半金属的研究事情推到了凝聚态物理的最前沿。而强磁场在干系研究中被广泛运用，稳态强磁场实验装置的用户在干系事情中做出了许多主要的成果。
ZrTe5是一种低对称性的准二维(2D)层状材料，但角度分辨光发射光谱(ARPES)和磁红外光谱研究表明它是3D狄拉克半金属的有出息的候选材料。研究职员在稳态强磁场实验装置高达31T 的磁场下通过对角度依赖性磁阻进行丈量，创造了层状材料ZrTe5的3D狄拉克半金属相的直接量子传输证据。研究职员不雅观察到明显的量子振荡征象，为证明ZrTe5是3D狄拉克半金属相供应了明确的证据。此外，在高磁场下不雅观察到明显的朗道能级分裂(如图2所示)，表明ZrTe5材料中的狄拉克点可能分裂成外尔点。研究结果表明，ZrTe5是研究层状化合物中三维无质量狄拉克和外尔费米子的空想平台。该项成果揭橥在Physical Review B杂志上。其余通过对在强磁场中高压下ZrTe5单晶的磁阻和SdH 量子振荡丈量不雅观察到量子振荡的溘然相移，并从高度各向异性演化为险些各向同性的电子系统。通过高达33T 的磁场中的热电效应丈量，在量子极限以下不雅观察到了非常的能斯殊效应和热电的准线性场依赖性，这可能是由零级朗道能带闭合导致的。这些成果都揭橥在了Physical Review Letter杂志上。
图2 (a) 在不同温度下，磁阻Rxx与磁场B(高达31T)的关系图；(b) 不同温度下的振荡分量ΔRxx与1/B的关系
TaAs 是另一种范例的拓扑材料。研究创造，压力可以勾引TaAs 产生新的拓扑相，并且这种新的压力勾引相可以在降到常压时保持稳定。研究职员利用强磁场实验装置研究了TaAs 在高达33T 的磁场中的电输运性子，创造当外尔电子被限定在最低的朗道能级时，霍尔旗子暗记和低温下的纵向磁阻中会涌现强烈的温度依赖性非常[Phys. Rev. B 94,205120 (2016)]。依托于稳态强磁场装置水冷磁体，研究职员在强磁场中丈量了TaAs 的磁化性子，不雅观察到当系统进入量子极限时，TaAs 具有准线性磁场依赖的有效横向磁化和非饱和纵向磁化行为，验证了TaAs 是一种外尔半金属拓扑材料(图3)。该项成果揭橥于Nature Communications 杂志上。通过强磁场研究材料的量子振荡也被广泛用于研究其他拓扑材料，如SrxBi2Se3，PdTe，TaSb2，并已用于实验验证PtBi2，WC中的三重简并节点和具有巨大非常霍尔效应的磁性外尔半金属Co3Sn2S2。
图3 (a)外尔半金属能带示意图；(b) TaAs磁扭矩、横向磁化率随磁场的变革
二
超导材料
1908 年荷兰低温物理学家昂内斯成功地液化了氦气，而后于1911 年创造某些金属在液氦温度下电阻会溘然消逝，即“超导电性”征象，昂内斯也因此创造得到了1913年诺贝尔奖。
超导材料具有两大显著特性，零电阻效应和迈斯纳效应。零电阻效应是指材料在特定温度下电阻溘然消逝，这一温度叫做超导转变温度Tc，也叫临界温度。临界温度之上材料为正常态，临界温度之下材料为超导态。迈斯纳效应是指处在超导态的物体完备排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部。超导体可用来实现诸如无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。目前超导材料在医疗东西、国防军事、电子通信、电力能源、交通运输等浩瀚领域取得了广泛运用。
1957 年巴丁，库伯和施里弗互助揭橥了BCS理论对超导征象进行理解释并随后得到了诺贝尔奖。假设电子是有规律运动，原子核是周期性构造，声子也是有规律运动的，这样只需考虑一个原子核相邻的两个电子。库伯证明了低温下费米球外一对自旋相反的电子存在相互吸引浸染，可以束缚成对，叫做库伯对，这种相互吸引是通过电子间交流虚声子产生的。库伯对的产生减小了电子基态的能量，使费米能处的单个电子凝聚到一个能量低Δ的态中。Δ称为BCS 能隙，至少须要2Δ的能量才能冲破库珀对，形成引发态。库伯对是玻色子，在低温下会涌现玻色爱因斯坦凝聚，所有的库伯对都被凝聚在了基态上，在电子输运时就不会被散射，宏不雅观上表现为零电阻效应。
根据BCS理论阐明，由于电声子耦合浸染的限定，超导体的转变温度一样平常低于40K，即麦克米兰极限。但是随着越来越多的超导体的创造，超导转变温度也在逐渐提高。一些不能被BCS 理论所阐明的超导体被称为非常规超导体。氧化铜高温超导体是最著名的非常规超导体，铁基超导体作为第二个高温超导家族也受到了广泛的关注。高温超导体的超导机制不同于传统超导体，目前普遍认为高温超导体的库伯对形成与磁相互浸染以及自旋涨落有关。超导体的上临界磁场对应着磁场毁坏超导的两种机制，一种是轨道拆对机制，另一种是泡利顺磁极限机制。泡利顺磁极限机制可以理解为外加磁场导致材料中电子的能带根据自旋方向发生劈裂，系统能量降落，降落的能量尺度为塞曼能。当塞曼能大于超导凝聚态能时，超导态被毁坏。对付非常规超导体，可能存在远超于弱耦合泡利顺磁极限1.86 Tc的较大的上临界磁场，这种征象可以在强磁场下得到证明。
如图4 所示，作为基本参数，上临界场(Hc2)的温度依赖性不仅对超导材料的运器具有主要的意义，同时它也对材料的超导机理研究具有主要的意义，特殊是在靠近零温时的行为，可以给出材料配对对称性与能隙构造等方面的信息。而稳态强磁场实验装置所能供应的强磁场环境在新创造的超导体(如Nb2PdxS5−δ20和基于Cr 的准一维超导体等)的Hc2测定中起着重要浸染。图5显示了RbCr3As3晶体的Hc2-T 相图。可以看出，H//cc2 (0)和H//abc2 (0)均超过BCS 弱耦合泡利极限(μ0Hp)，表明此材料为非常规超导体，该项成果揭橥在Physical Review B杂志上。
图4 超导体的Hc2随温度的变革关系
图5 RbCr3As3的Hc2-T相图
对付一些传统的超导体，当它们被简化为二维(2D)时，它们也显示出超过泡利极限的增强Hc2。研究职员采取超高真空分子束外延法制备了宏不雅观面积的单层NbSe2薄片，利用稳态强磁场实验装置在强磁场和极低温下的输运丈量结果表明上临界场是NbSe2 顺磁极限场的5 倍以上[Nano Letters 17,6802 (2017)]。研究职员通过在硅衬底上的铅条纹非公度相上用超高真空分子束外延技能成功制备出一种宏不雅观面积的、塞曼保护的新型二维超导体。图6 显示了这种超薄单晶Pb薄膜在磁场高达35.5 T下的各种温度下电阻的平行磁场依赖性。显然，零温度下的Hc2远高于泡利极限μ0Hp = 14.7 T，这表明超薄Pb 薄膜中具有塞曼保护的超导性。随后研究职员对此进行了理论打算，定量地阐明了塞曼保护超导电性的物理机制。基于微不雅观剖析，创造塞曼型自旋轨道相互浸染(SOI)在很大程度上增强了面内临界场。本事情揭示了界面调制SOI 对外延异质构造中的超导对具有深远的影响，可为研究非常规超导性供应有出息的平台。预示出人们有望在二维超导体系中，通过界面调制创造新的非常规超导特性。这种宏不雅观尺度强自旋轨道耦合下的二维超导，也为拓扑超导的探索供应了新的平台，并为未来无耗散或低耗散量子器件的设计与集成奠定了根本。该项成果揭橥在Physical Review X杂志上。
图6 不同温度下超薄单晶Pb薄膜在平行磁场下(最高场高达35.5 T)的电阻与磁场关系图
极度条件下超导体的研究对付运用和超导机理研究具有主要意义。纵然对付一些传统的超导体，它们在极度条件下的性能仍旧缺少知识。NbTi合金是制造商用超导磁体的最主要材料之一，科研职员利用稳态强磁场实验装置对其在强磁场和高压下进行了研究。图7 显示了NbTi 合金的压力-磁场-TC 相图。随着压力从0 增加到261 GPa，TC 从9.6 K增加到19.1 K，Hc2在1.8 K时从15.4T 增加到19T。值得把稳的是，在如此超高压下没有构造相变，只管环境压力体积缩小了45%。结果表明，NbTi合金的超导性在已知超导体中在压力下是最稳健的。此外，其高压下的TC和Hc2值在仅由过渡金属元素组成的合金超导体中创下了新记录。这些创造不仅揭示了NbTi 合金非凡的高压超导性能，而且有助于更好地理解超导机理。该项成果Physical Review X杂志上。
图7 NbTi合金的压力-磁场-TC相图
三
低维材料
低维材料是指至少在一个维度上尺寸处于纳米尺度的材料，紧张包括零维、一维和二维构造，以及以低维构造为基本单元构筑的复合构造、组装体和功能器件。二维材料，包括两种材料的界面，或附着在基片上的薄膜，个中界面的深或膜层的厚度在纳米量级。半导体量子阱是范例的二维材料。一维材料，或称量子线，线的粗细为纳米量级。零维材料，或称量子点，它由少数原子或分子堆积而成，微粒的大小为纳米量级。范例的零维材料是半导体和金属的原子簇。
在低维体系中，维度的降落导致体系对载流子浓度、介电环境、压强、应力、电场、磁场等非常敏感。因此，我们可以在一个极其宽广的多参数空间对其构造和物性进行风雅调控，进而实现一系列新奇量子物态。低维材料具有极小的体积和大量的表面积，使得低维材料具有大量的表面活性位点，这种特性使其在催化，吸附和储能等方面表现出精良的性能。低维材料还具有独特的光电学性子，其电子构造与三维材料中的电子构造不同，电子由于被约束在一维或二维空间内，其动力学行为变得更加繁芜，涌现了一些奇特的电子构造和能带构造，使得低维材料在光电器件和太阳能电池领域有广阔的发展空间。低维材料体积小，可以更好地承受应变，在外加应力下，表现出了极高的应变率，可运用于电声传感器和光学器件领域。
目前，类似石墨烯的低维材料正在被广泛研究。随着维数的减小，量子效应增加。在三维(3D)材质中可以忽略不计的界面效应、尺寸效应和拓扑效应将在低维材质中显现出来。因此，低维材料会表现出3D材料所没有的新颖量子效应。由于空间维数的减小，电子的电荷、自旋、轨道与晶格自由度之间的干系性和耦合性也会局部加强，从而使自旋量子态对磁场、电场、应力场、光场和温度的相应更加显著。科研职员利用稳态强磁场实验装置对低维材料进行了许多研究。
研究职员利用聚合物转移的方法，将石墨，氮化硼和黑磷的薄层依次叠加在衬底上形成异质布局造，在稳态强磁场实验装置供应的强磁场环境下首次不雅观察到了黑磷中的量子霍尔效应，如图8 所示。整数量子霍尔效应是指霍尔电阻并不随磁场强度的增大按线性关系变革，而是作台阶式的变革。这项研究为进一步研究黑磷中的量子输运奠定了根本。该项成果揭橥在Nature Nanotechnology杂志上。
图8 稳态强磁场下黑磷二维空穴气体中的量子霍尔效应
元素铋是半金属，由于其具有低的电子浓度、小的电子有效质量和大的电子均匀自由程，从而成为人们研究宏不雅观量子征象的范例材料而被长期关注。而铋纳米构造的性子更加丰富，理解块状铋中的奇异量子征象仍旧存在争议，并引起了人们的新兴趣。问题的焦点是这些量子特性是否便是体材料所具有的性子，还是与Bi 基拓扑绝缘体有关的由于自旋-轨道相互浸染所导致的表面效应。近年来，铋化合物被创造是拓扑绝缘体，但对铋单晶是否具有拓扑绝缘体性子还缺少实验证据。研究职员利用稳态强磁场实验装置在磁场高达31T 下对不同厚度的单晶铋纳米带进行了角度依赖的磁阻(AMR)丈量，创造铋纳米带具有二维的拓扑表面态，且表面态与纳米带的厚度有关。如图9 所示。在厚度为40 nm的薄纳米带中不雅观察到二重对称的低场AMR谱和两组量子振荡。实验结果显示，随着样品厚度的增加，低场AMR谱变为四重对称，量子振荡变为三维体材料行为。这些结果表明纳米带具有二维金属表面状态和体绝缘的性子。该研究成果揭橥在ACS Applied Nano Materials杂志上。
图9 (a) 纳米带的透射电子显微镜图像(b)在0.4 K下样品的电阻与磁场的关系
低维材料由于较大的表面体积比，表面状态和拓扑效应会变得更加明显。量子霍尔效应是凝聚态物理中研究最多的征象之一，并且与拓扑相、强电子干系性和量子打算等研究领域干系，量子霍尔效应是否可以在不大略堆叠二维系统的情形下扩展到更高维度有待进一步研究。依托稳态强磁场实验装置，研究职员在Cd3As2纳米材料上创造了新的量子霍尔效应。Cd3As2是一种拓扑狄拉克半金属。在表面主导的Cd3As2纳米片中，研究职员不雅观察到量子振荡随着磁场的增加而发展为具有非零纵向电阻的量子霍尔态。与传统的二维系统不同，这种独特的量子霍尔效应可能与外尔轨道的量子化有关。然后，研究职员利用具有可变厚度的楔形Cd3As2纳米构造在强磁场下进行了输运实验。他们创造量子霍尔传输受到样品厚度的强烈调制，如图10 所示。朗道能级对磁场大小和方向以及样品厚度的依赖性与基于外尔轨道改动的Lifshitz-Onsager关系的理论预测同等。该项成果揭橥在Nature杂志上。
图10 (a)外尔轨道在磁场B下的示意图 (b)霍尔电阻Rxy与磁场的关系示意图
四
总结和展望
稳态强磁场实验装置是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技根本举动步伐，在培植和运行中创造了多项天下记录并实现多个国际创始，为凝聚态物理、化学、材料、生物学和生命科学等多学科领域开展国际前沿探索、交叉前沿研究供应了主要的稳态强磁场实验平台。开放运行10 多年以来，稳态强磁场实验装置在凝聚态物理学领域支撑了国内外浩瀚用户开展了大量高水平、有特色的研究事情，产生了一大批具有国际影响力的科学成果。未来稳态强磁场实验装置将连续为我国抢占国际前沿科技高地供应平台支撑。
来源：中国物理学会期刊网
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