首次在纯净的重费米子铁磁材料中发现压力诱导的铁磁量子临界点，并且观察到奇异金属行为,打破了人们认为铁磁量子临界点不存在的普遍共识。

Discovery of pressure-induced ferromagnetic quantum critical point (FM QCP) in a stoichiometric heavy fermion ferromagnet, and the associated strange metal behavior.

项目负责人简介

袁辉球，浙江大学物理系教授，全面负责该项目的构思和组织实施。袁辉球教授主要从事极端条件下的奇异电子态研究，在量子相变、非常规超导和强关联拓扑态等方面取得了系列具有重要原创性的研究成果。共发表期刊论文130余篇，包括3篇Nature、1篇Science、2篇PNAS、14篇 PRL、7篇特邀综述，论文共被引用5000余次，其中单篇引用超过300次的论文5篇。多项工作曾入选ESI高被引论文，并被国内外科技期刊和新闻媒体多次报道。主持国家重点研发计划项目、基金委重点(3项)/面上(4项)等十余个项目的研究；在重要国际会议上做邀请报告90余次；组织召开2016年强关联电子体系国际会议（国内首次），担任该会议2017年评奖委员会主席；任“中国科学”等6个国内外期刊的编委，强关联电子体系等4个重要国际会议的顾问或者程序委员会成员；入选国家万人计划科技创新领军人才、教育部长江学者特聘教授等人才项目。

研究团队简介

项目研究团队主要来自浙江大学关联物质研究中心，包括Michael Smidman( “百人计划”研究员)，负责部分实验测量和数据分析；路欣教授，参与部分实验测量；Frank Steglich教授，参与数据分析。多名研究生参与了该项工作，其中沈斌和张勇军两位博士生为论文共同一作。

主要合作者包括：Piers Coleman教授（美国罗格斯大学物理与天文系教授），负责理论计算；Michael Nicklas博士（德国马普固体化学物理研究所高压组组长），承担部分高压比热测量。

团队照片

图1 CeRh₆Ge₄ 的压力-温度相图

图2 CeRh₆Ge₄ 在铁磁量子临界点附近的奇异金属行为 

经典热力学相变发生在有限温度，由热涨落所驱动。对于二级相变，其临界行为可由朗道-金兹伯格-威尔逊的对称性破缺理论来普适描述。当温度趋于绝对零度时，热涨落被抑制，由于海森堡不确定性原理，量子涨落得以增强，从而驱动量子相变。

在关联电子材料体系中，人们可以通过压力、磁场、掺杂等非温度参量来调节电子相互作用，从而抑制长程磁有序态而诱发量子相变。随着非温度调控参量的增加，磁性量子相变呈现出两种不同的情形：（a）磁性相变从二级相变转变为一级相变后突然消失。这种情形缺乏量子临界点，但存在一个三相临界点。（b）长程磁有序态被逐渐抑制到零温而出现量子临界点。该类量子相变为连续的二级相变，量子临界点附近的量子涨落会对有限温区的物理性质产生深远的影响，诱导新颖量子态或者量子现象。 

反铁磁量子临界点广泛存在于重费米子化合物、铁基超导体、铜氧化物高温超导体、有机超导体等关联电子材料体系中，其超导电性与反铁磁量子临界性紧密相关。相比其他关联电子体系，重费米子化合物的特征能量尺度较低，基态连续可调，因此是研究量子相变的理想材料体系。除超导之外，部分重费米子材料在反铁磁量子临界点附近表现出与铜基高温超导类似的奇异金属行为。 

那么，铁磁量子临界点是否同样存在？为此，科学家们展开了长期的探索，但一直没能发现确凿的证据。大量实验表明，随着调控参量的增加，纯净铁磁材料体系中的铁磁序要么经历一级量子相变而突然消失，要么转变为反铁磁序，因而缺乏铁磁量子临界点。只有当掺杂引起的无序度足够大时，铁磁序才可以逐渐被抑制掉。另一方面，当考虑巡游铁磁体系中的序参量涨落与软模的耦合后，理论上可以很好地解释这些实验结果。因此，人们普遍认为，巡游铁磁材料体系中不存在铁磁量子临界点。 

为了避免无序效应对铁磁量子临界性的影响，纯净的材料体系和调控手段是探索铁磁量子临界的关键。相比掺杂，压力是一种纯净的调控手段，并且不像磁场一样会破坏时间反演对称性。本项目独辟蹊径，选择了具有较强磁各向异性的铁磁材料，并利用压力来进行调控，首次在纯净的重费米子材料体系中发现了铁磁量子临界点存在的确凿证据，并且观察到奇异金属行为。

主要创新成果： 

1. 寻找到合适的铁磁量子临界材料CeRh6Ge4

本项目合成了高质量单晶样品CeRh6Ge4，观察到显著的量子振荡，表明该化合物非常纯净，适合铁磁量子临界性的研究。此外，CeRh6Ge4为非中心对称重费米子化合物，表现出很强的磁各向异性，具有较小的饱和磁矩，这些因素可能是产生铁磁量子临界的关键。 

2. 首次发现铁磁量子临界点存在的确凿证据（图1）

为了避免了无序效应对铁磁量子临界性的影响，本项目采用压力作为调控参量，结合压力下的电阻、比热、磁化率等多种测量手段，发现CeRh6Ge4的铁磁序随着压力的增加而逐渐被抑制掉，在0.8GPa出现铁磁量子临界点。在铁磁量子临界点的两端，该体系表现出费米液体行为，低温电阻遵循温度的平方关系，而电子比热系数在低温趋于常数。这是首次在一个纯净的铁磁材料体系中发现铁磁量子临界点存在的确凿证据，打破了先前人们认为铁磁量子临界点不存在的普遍共识。

3. 首次在铁磁材料体系中观察到奇异金属行为（图2）

在铁磁量子临界点附近，CeRh6Ge4呈现出与铜基高温超导类似的奇异金属行为：(1) 线性电阻；(2) 电子比热系数随温度降低而对数发散；(3) 电阻系数A以及零温比热系数γ0趋于无穷大，表明电子有效质量趋于发散。这是首次在铁磁材料体系中观察到这种奇异金属行为，为揭示奇异金属的物理起源提供了重要物理信息。

相关的科普文章与新闻报道

1. 《物理》杂志专题

磁性量子相变, 沈斌 袁辉球,《物理》2020年第9期

http://www.wuli.ac.cn/CN/abstract/abstract76086.shtml 

2. 浙江大学求是新闻网：

浙大团队再添一篇《自然》！发现一类新的量子临界现象

http://www.news.zju.edu.cn/2020/0305/c23225a1966432/page.htm 

3.浙江大学学术委员会：

（1）Nature | 浙大学者：发现一种新型量子相变和奇异金属行为

https://mp.weixin.qq.com/s/yQFEbkQloO1UFTEnByfIUw。

（2）Nature一作分享 | 10年课题，面临延毕，科研如何不想“赶时髦”

https://mp.weixin.qq.com/s/Lavs9Q7it3-snhSnpxPRsA. 

4. 中国科技日报：

浙大科研团队发现一种新型量子相变和奇异金属行为

http://stdaily.com/app/zhejiang/2020-03/05/content_895019.shtml 

5. 中国科学报：

（1）科学家首次发现铁磁量子临界点确凿证据

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/436656.shtm

（2）入围2020年“中国十大科技进展新闻”候选新闻，

http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=&id=35596