印证理论和实验测量极限，mK温度下的磁学测量延伸——Quantum Design mK温度磁学相关测量组件

研究背景

温度是自然科学领域中非常重要的一个物理量，在现代物理实验尤其是凝聚态物理实验中，改变温度测量研究材料的物理相变特性已经成为了非常常规和必要的一种手段。随着测量技术的不断发展，越来越多的极低温测量设备和测量手段变得触手可及。

在1K以下，不断接近于绝 对零度的过程中电子-声子散射作用逐渐被抑 制，能够观察到更多被掩盖的量子态，对材料的本征物理特性的研究具有重大意义，同时也拓展了材料研究新的领域。例如非常规超导体重费米子材料、自旋液体材料等引发的对BCS超导理论、强关联电子电子复杂行为、量子阻挫行为的深入探讨。

然而目前传统的mK温度下的测量手段仍然非常有限，在mK温度的测量对系统的稳定性要求较高，微弱的扰动都可能导致温度的剧烈波动，使得电学输运的研究手段成为了长久以来“唯 一”的选择。人们也似乎很难将常规需要在探测线圈中移动样品才能进行的磁学测量手段与mK极限低温联系起来。

研究简介

近年来Quantum Design公司在极低温测量领域的开发仍在不断延伸，推出了基于MPMS3磁学测量系统的极低温iHelium3氦三直流磁学测量组件和基于PPMS综合物性测量系统稀释制冷机的ACDR交流磁化率组件，成功实现了mK温度区间的直流磁学和交流磁学的测量功能，是继mK电学、热学测量功能后补全的又一块拼图。在此极限低温下对磁性的研究将有助于科研工作者对超导材料的抗磁特性、临界电流、中间态能隙以及自旋玻璃材料自旋量子阻挫特性等进行深入的研究。

1.  极低温下重费米子材料NdV2Al20的超导特性研究

富山大学並木孝洋教授课题组在0.5-2.5K范围对重费米子材料NdV2Al20极低温的超导特性进行了细致研究，除了采用常规的电学测量外，也使用MPMS系统的iHelium3选件对NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的0.01T和0.1T背景场下的MT曲线进行了测试，并通过该数据对材料的Tc相变点进行了判定。

MPMS3 iHelium3选件测量NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的MT直流磁化率曲线@0.01T&0.1T

【参考】T. Namiki, Q. Lei, Y. Isikawa, K. Nishimura, Possible Heavy Fermion State of the Caged Cubic Compound NdV2Al20. Journal of the Physical Society of Japan 85, 073706 (2016).

2.  Kagome 金属 CsV3Sb5 的超导特性研究

中科院物理所科研团队对笼目金属CsV3Sb5的磁化率测量同样利用了MPMS3的iHelium3选件，测量到了低至0.4K的直流磁化曲线，很好地符合了迈斯纳效应的超导抗磁性线性关系。

Cs3Sb5单晶的等温磁化强度和各向异性下临界场研究。

【参考】S. Ni et al., Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV3Sb5. Chinese Physics Letters 38, 057403 (2021).

3.  极低温下Al6Re铝铼合金超导体相关性质研究

2019年复旦大学封东来、李世燕教授课题组合作通过MPMS3的iHelium3组件和DynaCool的ACDR稀释制冷机交流磁化率组件对Al6Re铝铼合金一类超导体在超导转变温度附近的直、交流磁化率进行了测量。对该材料在不同稳态背景磁场下的抗磁特性进行了分析，并根据M-H曲线在磁场超过临界值Hc瞬间失超的特性进一步确认了其一类超导材料属性。随后又结合BCS理论对50mK-1K的交流磁化率数据的磁滞特性进行了细致分析。

MPMS3 iHelium3测量到的Al6Re在mK温区的直流磁化率曲线MT、MH(@0.4K

DynaCool系统ACDR选件测量的Al6Re在mK温区的交流磁化率曲线

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

4.  极低温下NaYbO2超导体相关性质研究

加州大学圣巴巴拉分校Stephen D. Wilson研究团队在mK温区分别对NaYbO2量子有序态和无序态的交流磁化率进行了研究，并判定了有序和无序的临界条件，相关成果发表在Nature Physics期刊上。

DynaCool系统ACDR选件测量的NaYbO2在mK温区的交流磁化率曲线

【参考】M. M. Bordelon et al., Field-tunable quantum disordered ground state in the triangular-lattice antiferromagnet NaYbO2. Nature Physics 15, 1058-1064 (2019).

5.  极低温下Yb2GaSbO7材料磁性相关研究

同样是加州大学圣巴巴拉分校C. R. Wiebe研究团队在对Yb2GaSbO7材料磁基态的研究中观察到350mK的驰豫行为，并在随后的频率和交流磁化率依赖性无关的测量结果中推断出该材料不存在传统自旋玻璃态，并利用交流磁化率的高阶谐波功能对相变机理进行了更深入研究。

DynaCool系统ACDR选件测量的Yb2GaSbO7在mK温区的交流磁化率曲线

【参考】P. M. Sarte et al., Dynamical ground state in the XY pyrochlore Yb2GaSbO7. npj Quantum Materials 6, 42 (2021).

文末小结

MPMS和PPMS的极低温磁学测量组件填补了极低温mK温区磁学测量的空白，结合主机系统的易用可靠的优势成功化解了诸多测量难题。截止2021年底，国内已安装MPMS系统He3选件14套，稀释制冷机交流磁化率组件6套，分布于北大、物理所、复旦、人大等多个顶 尖科研团队，为超导、自旋液体、重费米子等关联电子材料研究提供了更多的实验手段，为具有阻挫磁性的笼目材料、二维van der Waals磁性材料和拓扑磁性材料等前沿热点领域的极低温量子现象探究提供了更多的测量平台。