铈基重费米子材料复杂磁相变及量子临界现象的中子散射研究

Cerium based heavy fermion (HF) compounds which belong to strongly correlated electron systems, exhibit variety of ground states such as unconventional superconductivity, magnetic ordering, Fermi-liquid. These exceptional and often exotic quantum critical behaviors have attracted considerable interest in condensed matter physics, and it is still challenging to understand their nature and origin both theoretically and experimentally. Neutron scattering technique has been extensively employed to investigate the magnetic structure and dynamical interactions in HF compounds. In this project, based on our neutron source (CMRR), we will study the complex magnetism in Ce-based compounds (e.g., CeSb2, CeRh2Si2, CeIn3) by neutron diffraction at different temperatures. The generic phase diagram of heavy fermions depends on an external tuning like pressure, chemical substitution, or magnetic field. High pressure neutron diffraction measurements will be performed for an unambiguous determination of the pressure evolution of the ordered moment and magnetic structure. In additions, inelastic neutron scattering will be used to get a microscopic insight into the elementary excitations like phonons, crystal-field excitations in different ordered phases of Ce-based HF compounds. The aim is to deeply understand the character of 4f electrons in these materials by the study of possible existing electron-phonon coupling, magneto-elastic coupling, or magnetic exchange interactions. This project will greatly benefit the further neutron scattering study of Uranium-based compounds which play a key role in nuclear industry.

铈基重费米子材料在低温、磁场、高压、掺杂等调控下具有异常丰富的基态：非传统超导态、磁有序态、费米液体等。为了理解这些新奇而有趣的量子临界行为背后的复杂机制，无论是理论描述还是实验技术都面临很大的挑战，是凝聚态物理研究的热点。中子散射技术在重费米子化合物的研究中发挥了巨大的优势，尤其是研究材料的磁有序及动力学性质。本项目拟基于本单位的中子散射科研平台(CMRR)，针对铈基材料(例如CeSb2、CeRh2Si2、CeIn3等)开展一系列中子衍射实验，测定材料在不同温度下的磁结构，探索其复杂磁相变的机制。在此基础之上，发展与之配套的高压加载技术，实现对重费米子材料量子态的调控。此外，利用非弹性中子散射技术，探测并分析材料中的多种元激发，研究电子-声子耦合、磁弹耦合、磁交换耦合相互作用等，进而认识铈基化合物新奇量子特性的本质。本项目将为后续的核工业关键材料--铀化合物的中子散射研究奠定基础。

在强关联f电子体系中，自旋、电荷、晶格等多种自由度的耦合与竞争使其具有丰富而复杂的相图，并呈现出诸多新奇的基态性质，例如非传统超导态、磁有序态、隐藏序、自旋玻璃态等，是当前凝聚态物理研究的一大热点。铀、钚等5f电子材料由于存在放射性、毒性，给精密实验研究带来了极大困难与挑战。本项目通过研究同样具有巡游/局域f电子特性的一系列铈基材料（例如CeAuAl3、CeAuGa3、CeSb2、CeAl2），为后续理解铀、钚材料奇异物性提供了重要的借鉴和指导。.对于CeAuAl3，基于非弹性中子散射技术首次、同时观测到由声子与晶体场耦合引起的两种截然不同的磁弹杂化激发，超出了传统Born-Oppenheimer绝热近似的范畴。该工作成为研究磁弹功能与失稳的典型范例，获得了广泛关注并激发了许多材料的类似研究；CeSb2在低温下发生一系列复杂的磁相变，是研究变磁性的绝佳体系，并具有潜在的拓扑应用，但相应的物理机制尚不清楚，缺乏详细的磁结构信息。本项目基于单晶中子衍射技术，首次发现CeSb2在9.8K以下为公度磁有序，并测定了磁传播矢量，为理解变磁性的起源提供了宝贵信息。此外，关于CeAl2的高压相变研究，学术界一直有很大的争议，长达数十年之久。一部分学者在7GPa附近观测到体积塌缩等异常现象，另一部分学者基于多种不同的实验手段开展了更高压力加载下的实验，却未曾观测到任何明显的相变特征。本项目利用高压超声技术，结合第一性原理计算，详细研究了CeAl2的声速、力学性质、电子结构随压力的演化，首次在7.5GPa附近观测到声速突变，伴随着体积塌缩，结合高压电阻测量证实在该压力下存在清晰的相变；理论计算表明弹性常数C11和C44在7.5GPa前后存在明显的斜率变化。在高压下，与弹性常数C44相关的横向声学声子模式可能会软化，并且Ce-4f电子与传导电子杂化明显增强。