印證理論和實驗測量限，mK溫度下的磁學測量延伸——Quantum Design mK溫度磁學相關測量組件

　　溫度是自然科學領域中非常重要的一個物理量，在現代物理實驗尤其是凝聚態物理實驗中，改變溫度測量研究材料的物理相變特性已經成為了非常常規和必要的一種手段。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。

　　在1K以下，不斷接近于絕對零度的過程中電子-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，對材料的本征物理特性的研究具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的領域。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，在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“”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公司在低溫測量領域的開發仍在不斷延伸，推出了基于MPMS3磁學測量系統的低溫iHelium3氦三直流磁學測量組件和基于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一塊拼圖。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特性、臨界電流、中間態能隙以及自旋玻璃材料自旋量子阻挫特性等進行深入的研究。

　　精選案例：

　　1.  低溫下重費米子材料NdV₂Al₂₀的超導特性研究

　　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低溫的超導特性進行了細致研究，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

　　【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 Japan85, 073706 (2016).2016年日本

　　2.  Kagome 金屬 CsV₃Sb₅的超導特性研究

　　中科院物理所科研團隊對籠目金屬CsV₃Sb₅的磁化率測量同樣利用了MPMS3的iHelium3選件，測量到了低至0.4K的直流磁化曲線，很好地符合了邁斯納效應的超導抗磁性線性關系。

Cs₃Sb₅單晶的等溫磁化強度和各向異性下臨界場研究

　　【參考】S. Ni et al., Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV3Sb5. Chinese Physics Letters38, 057403 (2021).

　　3.  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、李世燕教授課題組合作通過MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機交流磁化率組件對Al₆Re鋁錸合金一類超導體在超導轉變溫度附近的直、交流磁化率進行了測量。對該材料在不同穩態背景磁場下的抗磁特性進行了分析，并根據M-H曲線在磁場超過臨界值Hc瞬間失超的特性進一步確認了其一類超導材料屬性。隨后又結合BCS理論對50mK^-1K的交流磁化率數據的磁滯特性進行了細致分析。

MPMS3 iHelium3測量到的Al₆Re在mK溫區的直流磁化率曲線MT、MH(@0.4K

DynaCool系統ACDR選件測量的Al₆Re在mK溫區的交流磁化率曲線

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

　　4.  低溫下NaYbO₂超導體相關性質研究

　　加州大學圣巴巴拉分校Stephen D. Wilson研究團隊在mK溫區分別對NaYbO₂量子有序態和無序態的交流磁化率進行了研究，并判定了有序和無序的臨界條件，相關成果發表在Nature Physics期刊上。

DynaCool系統ACDR選件測量的NaYbO₂在mK溫區的交流磁化率曲線

　　【參考】M. M. Bordelon et al., Field-tunable quantum disordered ground state in the triangular-lattice antiferromagnet NaYbO₂. Nature Physics15, 1058-1064 (2019).

　　5.  低溫下Yb₂GaSbO₇材料磁性相關研究

　　同樣是加州大學圣巴巴拉分校C. R. Wiebe研究團隊在對Yb₂GaSbO₇材料磁基態的研究中觀察到350mK的馳豫行為，并在隨后的頻率和交流磁化率依賴性無關的測量結果中推斷出該材料不存在傳統自旋玻璃態，并利用交流磁化率的高階諧波功能對相變機理進行了更深入研究。

DynaCool系統ACDR選件測量的Yb₂GaSbO₇在mK溫區的交流磁化率曲線

　　【參考】P. M. Sarte et al., Dynamical ground state in the XY pyrochlore Yb₂GaSbO₇. npj Quantum Materials6, 42 (2021).

　　MPMS和PPMS的低溫磁學測量組件填補了低溫mK溫區磁學測量的空白，結合主機系統的易用可靠的優勢成功化解了諸多測量難題。截止2021年底，國內已安裝MPMS系統He3選件14套，稀釋制冷機交流磁化率組件6套，分布于北大、物理所、復旦、人大等多個科研團隊，為超導、自旋液體、重費米子等關聯電子材料研究提供了更多的實驗手段，為具有阻挫磁性的籠目材料、二維van der Waals磁性材料和拓撲磁性材料等前沿熱點領域的低溫量子現象探究提供了更多的測量平臺。

　　相關產品：

　　1、完全無液氦綜合物性測量系統-PPMS DynaCool 

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