Kagome近藤晶格体系中的新奇量子态研究

Quantum criticality in correlaed electron systems represents an important research topic in modern condensed-matter physics. This is partly because that it affects not only the low-temperature physics in the vicinity of the critical point, but also a rather extened temperature window including probably high-temperature superconductivity. Heavy-fermion based systems are suited for such investigations. Recent theoretical and experimental work indicate a novel ground state (e.g., a metallic spin liquid) for Kondo lattice when spin geometrical frustration is introduced. This conclusion is not straightforward, because the existence of conduction electron and Kondo coupling may lift the frustration, leading to a novel heavy Fermi liquid state. In this work, we plan to investigate a family of frustrated Kondo compounds, represented by CePdAl, which forms a quasi-Kagome lattice in the basal plane. Detailed experiments will be conducted in magnetic fields, hydrostatic pressures, chemical pressures, as well as uniaxial pressures, in order to tune the strength of Kondo coupling and geometrical frustration. Preliminary experimental results already show a candidate phase of spin-liquid like paramagnetism, forming in between the magnetic state and the Fermi liquid phase. Through our investigation of this simple frustrated Kondo system, we hope to provide an outstanding example for frustrated Kondo lattices.

对于关联体系中量子临界行为的研究具有重要的物理意义。临界区域的量子涨落并不仅仅是影响极低温下的物性，还有可能影响到有限温度下的宏观量子行为，甚至高温超导电性。重费米子化合物是研究量子临界行为的最佳材料体系。近期的理论和实验研究发现，在近藤晶格体系中引入自旋阻挫后，有可能实现新颖的非常规基态，甚至是金属自旋液体态。该结论目前还有争议。由于传导电子和近藤效应的存在，也有可能局域磁矩被完全屏蔽，形成阻挫影响下的奇异费米液体态。在本项目中，我们计划对具有二维准Kagome阻挫结构的CePdAl及相关近藤化合物进行系统的实验研究。应用磁场，静水压力，化学压力，以及单轴压力等不同手段调控近藤耦合或者阻挫强度，探索该类体系中可能存在的异常量子态。初期研究已经表明该体系可能存在一个介于磁性基态和费米液体态之间的异常顺磁态，需要详细的实验验证。通过本项目的实施，期待为电子关联阻挫体系的研究提供一个范例。

基于近藤晶格的重费米子现象是凝聚态物理的一个传统研究领域，主要研究传导电子和局域f电子近藤杂化过程中的多体物理行为，以及由此产生得量子临界行为。与此不同，在具有自旋阻挫的绝缘量子磁性体系中，阻挫引起的量子涨落在低温下抑制长程磁有序的发生，导致自旋液体等新奇物态。在这两类体系中，近藤效应和自旋阻挫分别扮演了重要的角色，导致基态磁性的消失。结合这两类体系的特点，在近藤体系中引入自旋阻挫，近藤效应会受到自旋阻挫引起的量子涨落的深刻影响，这时候体系的量子基态如何演化是一个重要的问题。本项目重点关注具有kagome阻挫结构的近藤化合物CePdAl,以及密切相关的低维近藤体系CeAu2In4等。通过低温磁性、输运和热力学测量详细研究了基态量子物性，取得了若干有意义的实验结果。1）确立了阻挫重费米子体系CePdAl的量子临界相图，发现了由阻挫引起的量子临界相；2）发现了准一维近藤晶格体系CeAu2In4中的增强量子涨落和异常重费米子态；3）观测到了PrAlSi中随温度变化的量子振荡和近藤杂化对电子态的影响。以上结果对于理解近藤体系中的众多非常规量子物性，比如非费米液体，磁性电子的巡游局域竞争等现象具有重要的意义。关于CePdAl相关实验结果发表于【自然-物理】,引起了众多国际同行的关注，有望成为阻挫近藤体系研究的范例。