溫度是自然科學(xué)域中非常重要的個物理量，在現(xiàn)代物理實驗尤其是凝聚態(tài)物理實驗中，通過改變溫度研究材料的物理相變性已經(jīng)成為了種非常常規(guī)和必要的手段。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的低溫測量設(shè)備和測量手段變得觸手可及。

       通常，在溫度低于1K以下并不斷接近于零度的過程中，電子-聲子散射作用逐漸被抑制，從而能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，這對于探索材料的本征物理性具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的域，例如非常規(guī)超導(dǎo)體重費米子材料、自旋液體材料等引發(fā)的對BCS超導(dǎo)理論、強關(guān)聯(lián)電子復(fù)雜行為、量子阻挫行為的深入探討。

       然而目前傳統(tǒng)的mK溫度下的測量手段仍然非常有限，mK溫度的測量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，微弱的擾動都可能導(dǎo)致溫度的劇烈波動，使得電學(xué)輸運的研究手段成為了長久以來“僅有”的選擇。人們也似乎很難將常規(guī)需要在探測線圈中移動樣品才能進行的磁學(xué)測量手段與mK限低溫聯(lián)系起來。

       近年來Quantum Design公司在低溫測量域的開發(fā)仍在不斷延伸，成功推出了基于MPMS3磁學(xué)測量系統(tǒng)的低溫氦三直流磁學(xué)測量組件iHelium3和基于PPMS綜合物性測量系統(tǒng)稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件，成功實現(xiàn)了mK溫度區(qū)間的直流磁學(xué)和交流磁學(xué)的測量功能，是繼mK電學(xué)、熱學(xué)測量功能后補全的又塊拼圖。在此限低溫下對磁性的研究將有助于科研工作者對超導(dǎo)材料的抗磁性、臨界電流、中間態(tài)能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫性等進行深入的研究。

精彩案例

1.  低溫下重費米子材料NdV₂Al₂₀的超導(dǎo)性研究

       2016年日本富山大學(xué)並木孝洋教授課題組在0.5-2.5K范圍對重費米子材料NdV₂Al₂₀在低溫的超導(dǎo)性進行了細致研究，除了采用常規(guī)的電學(xué)測量外，也使用MPMS系統(tǒng)的iHelium3選件對NdV₂Al₂₀材料在[001][101][111]三個方向的0.01T和0.1T背景場下的MT曲線進行了測試，并通過該數(shù)據(jù)對材料的Tc相變點進行了判定。

MPMS3 iHelium3選件測量NdV₂Al₂₀材料在[001][101][111]三個方向的MT直流磁化率曲線@0.01T&0.1T

J. Phys. Soc. Jpn. 85, 073706 (2016)

2.  低溫下Al₆Re鋁錸合金超導(dǎo)體相關(guān)性質(zhì)研究

       2019年復(fù)旦大學(xué)封東來、李世燕教授課題組對Al₆Re鋁錸合金類超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的交直流磁化率分別通過MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機交流磁化率組件進行了測量。對該材料在不同穩(wěn)態(tài)背景磁場下的抗磁性進行了分析，并通過M-H曲線通過磁場抑制超過臨界值Hc瞬間失超的性進步確認了其類超導(dǎo)材料的身份。隨后又結(jié)合BCS理論對50mK-1K的交流磁化率數(shù)據(jù)的磁滯性進行了細致分析。

MPMS3 iHelium3測量到的Al₆Re在mK溫區(qū)的直流磁化率曲線MT、MH(@0.4K)

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測量的Al₆Re在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

PHYSICAL REVIEW B 99, 144519 (2019)