Ce基和U基重费米子材料的扫描隧道显微学研究

Heavy fermion materials usually are intermetallic compounds containing lanthanide and actinide with f- electrons, and most of them are strongly electron-correlated. Heavy Fermion materials exhibit rich exotic physical phenomena, whici is the ideal system for the study of various unique quantum states and unconventional superconductivity. Due to the much low characteristics temperature of the quantum order state, the measurements of both the transport properties and spectroscopy properties of heavy Fermions are very difficult. Thus the essential issues of this field are far from consensus, such as the formation mechanism of heavy fermion state, the order parameters of hidden order, the superconducting pairing symmetry and pairing mechanism, etc. In this proposal, we will focus on the typical Ce - and U - based heavy fermion materials with the superconducting temperature Tc higher than 1 K. By using the scanning tunneling microscopy equipped with ultralow temperature and vector magnetic field, we plan to study the electronic state and gap structure at various temperatures to explore the formation and machanism of heavy Fermion state, to clarify the most possible order parameter and pairing symmetry of some typical heavy fermion superconductors and get in-depth understanding of superconducting machnism. We will investigate the physical properties of different order states and find their correlation, such as hidden order, long rang AFM order and superconducting state. Finally, we will try to find the existence of the topological non-trivial state and FFLO state in some predicted Heavy Fermion systems.

重费米子体系通常存在于含有f-电子的镧系或者锕系金属间化合物中，属于典型的强关联电子体系，表现出丰富的物理内涵，是研究各种演生量子态和非传统超导态的理想体系。由于重费米子体系的各种量子序的特征温度都很低，无论是各种物性测量还是谱学测量都有很高的难度，因此该领域的一些关键问题还缺乏共识，比如重费米子态形成的微观机理，隐藏序的序参量，超导态的配对对称性和配对机理等。本项目将重点研究超导温度1 K以上的Ce-基和U-基重费米子体系，通过极低温、矢量磁场的扫描隧道显微镜研究这类材料在不同温度下的电子态结构和能隙结构，揭示重费米子态的形成过程和机理，澄清或者阐明一些典型重费米子超导体的序参量及其对称性，深入理解重费米子超导体的配对机制，研究各种有序态之间的关联，加深对隐藏序以及其他有序态的深入理解，探索拓扑非平庸量子态以及FFLO态等新奇量子态存在的可能性。

作为典型的强关联电子体系, 重费米子材料表现出丰富的量子基态，如磁有序、非常规超导、拓扑态、非费米液体行为、非常规量子临界行为、隐藏序等等。如何理解这些奇异现象背后的物理机制是重费米子领域以及强关联电子领域的前沿和核心问题，这些奇异现象与重电子的关联也亟待澄清。在本项目中，我们获得了CeSb、CeCu2Si2、UBi2、URu2Si2等多种Ce基和U基重费米子体系的高质量单晶，通过大量探索获得了解理不同重费米子单晶得到干净解理面的方法，并采用极低温强磁场扫描隧道显微镜系统地测量了这类材料的能带结构、电子态性质、超导能隙结构和缺陷态等，以及它们对温度和磁场的依赖关系，得到了系列高质量的实验数据。通过多个重费米子体系的对比研究，深入理解了重费米子态的形成过程及其与超导、磁有序、隐藏序等的关系。此外还发现有机分子膜也可以形成天然的Kondo晶格，类似于重费米子体系；我们系统研究了有机分子膜中Kondo效应和反铁磁耦合相互竞争导致的各种有序态，构建了完整的实验相图，对这一体系的研究有助于深入理解重费米子体系中各种复杂的物理现象和临界/相变/crossover行为。通过本项目的实施，我们回答了项目提出的一些关键科学问题，基本完成了项目的研究内容和研究目标。与项目相关的研究成果在国际SCI期刊上发表学术论文3篇（Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2篇，Phys. Rev. Lett. 1篇），相关工作发表后受到该领域的广泛关注。多篇文章还在撰写与审稿过程中，项目共培养博士生2人。