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《中国科学技术大学》 2009年
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Na_xCoO_2体系的电荷有序态和铁基超导体的磁性研究

吴涛  
【摘要】: 在传统的凝聚态理论中,电子-电子相互作用并没有得到足够的重视,往往被大家所忽视。随着新材料的不断发现,人们发现在许多材料中电子-电子相互作用表现出非常重要的作用,例如高温超导体,巨磁阻材料,重费米子材料等。如何理解和认识这类材料成为了当下凝聚态物理最前沿的领域之一---电子强关联体系。 在本论文中,作者主要研究了两类关联电子体系,一类是具有三角格子的Na_xC_oO_2体系;另一类是最新发现的铁基砷化物高温超导体。我们主要通过输运、磁性、拉曼光谱和电子顺磁共振谱等实验手段研究了这些体系奇特的物理性质。另外,我们还研究了极欠掺杂的Nd_(2-x)Ce_xCuO_4体系的各向异性磁阻行为。 本论文主要分以下六个章节: 1、Na_xCoO_2体系和铁基超导体的研究进展 在本章中主要对Na_xCoO_2体系和铁基超导体的基本物理性质以及一些研究热点进行简述。其中对Na_xCoO_2体系,我们对它的基本结构和相图进行了概述,并对该体系的电荷有序问题以及Na~+离子有序效应两个热点问题展开了讨论。对于铁基高温超导体,主要介绍了其基本结构和电子相图,并对其电子结构和理论模型进行了概述。 2、Na_xCoO_2体系中磁场诱导的自旋翻转相变 在本章中,我们系统地研究了Na_(0.52)CoO_2单晶样品磁场平行于ab面和磁场垂直于ab面的定温磁阻。当磁场沿着两个不同的方向时,该体系具有不同的磁阻行为。当磁场平行于ab面时,磁阻总是保持在负值并且面内铁磁行为被增强;而当磁场垂直于ab面时,磁阻会随着温度和磁场的变化由负值变化到正值,并且面内铁磁行为被削弱。并且当磁场垂直于ab面时,我们可以观察到一个奇特的回滞现象,而这个现象在磁场平行于ab面时并没有观察到。这些现象表明体系的小磁矩在磁场垂直于ab面时发生了一个自旋翻转,并同时伴随小磁矩磁性的变化。由于最近的研究表明,x=0.5附近的电荷有序Na_xCoO_2可能是体系超导电性的母体,因而我们的结果表明该体系的超导具有一个非传统的超导机制。 3、Na~+离子有序结构的重排及其对Na_xCoO_2体系物理性质的效应 在本章中,我们系统研究了Na_xCoO_2(0.37<x<0.80)体系的单晶拉曼光谱。实验发现A_(1g)模式具有一个随Na含量的线性依赖关系,而E_(1g)模式则在x=0.5附近具有一个反常的移动。这种反常的变化被认为是来自于Na~+离子在O1有序结构中的重排效应。x=0.56样品的变温拉曼实验表明在240K附近体系发生了一个从O1结构到H1结构的重排。x=0.56样品的电输运和磁化率测量都在重排温度附近表现出异常,并且不同的Na~+离子结构对应了不同的物理性质。这些实验结果直接表明Na~+离子有序结构对Co-O层物理性质的影响。 4、LaFeAsO_(1-x)F_x(x=0,0.13)多晶样品的电子顺磁共振研究 在本章中,我们研究了LaFeAsO_(1-x)F_x(x=0,0.13)样品温度依赖的电子顺磁共振谱(ESR)。我们测量到样品的ESR信号表明:该体系的g因子以及峰-峰宽有很强的温度依赖关系,特别是在低温区域,依赖关系更加明显。这与具有局域磁矩的强耦合图像相一致。这种强的温度依赖关系随着温度的提高而逐渐减弱,并且在室温时达到饱和。而这种行为则被认为是来自于巡游电子与局域磁矩之间的“瓶颈”效应。并且,我们还发现温度依赖的自旋磁化率表现出居里-外斯行为。我们的结果证明体系的确存在有局域磁矩,但是其形成机制目前还不明确。而且我们的结果还表明体系存在很强的磁性涨落,这可能与该体系超导机制有密切关联。 5、Eu_(1-x)La_xFe_2As_2单晶磁结构相图的研究 在本章中,我们系统地测量了Eu_(1-x)La_xFe_2As_2单晶在磁场下电阻、磁化率和比热的性质。在由铕离子组成的磁晶格中发现了在一个临界磁场下从A型反铁磁向铁磁转变的变磁性。在临界磁场以下,比热跳跃随磁场增加向低温漂移,而在临界磁场以上时,比热跳跃随磁场增加向高温漂移。这表明体系发生了一个变磁性转变。而且在其反铁磁态中发现了体系的磁化强度具有二重对称性,这与自旋密度波(SDW)的对称性相吻合。然而,在铁磁态和顺磁态我们观察到一个各向同性的磁化强度。并且随着SDW的削弱,铁磁态更加容易被磁场所稳定。为了解释实验结果,我们提出了一个各向异性的交换模型。对于x=0和x=0.15的单晶样品,我们还给出了详细的H-T相图和可能的铕离子磁结构。 6、反铁磁Nd_(2-x)Ce_xCuO_4体系巨大的各向异性磁阻和自旋阀效应 在本章中,我们研究了磁场在铜氧面内旋转的极欠掺杂的反铁磁Nd_(2-x)Ce_xCuO_4样品的各向异性磁阻和磁化率。在低温5K以下,我们观察到一个巨大的各向异性磁阻。面外电阻的大小可以通过磁场在铜氧面内旋转而改变一个量级,而且面内电阻和面外电阻有很好的标度行为。自旋阀效应被用来解释面外磁阻巨大的各向异性和标度参数随磁场的变化。并且我们发现磁场诱导的高场下Nd~(3+)离子自旋翻转是理解巨大的各向异性磁阻的关键。这些结果表明电荷和自旋之间奇特的纠缠可能是导致上面物理现象更本质的原因。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O482.5

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