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半导体所合作在铁磁体系观测到双通道近藤效应

2016.3.03

　　寻找物质新基态是凝聚态物理的重要前沿课题，也是科学家同行们激烈竞争的大舞台。金、铜、银等传统金属中电子基态称为费米液体。近年来，随着科学技术的突破式发展，诸如拓扑超导态、拓扑绝缘态、维尔半金属态等一系列新物质态不断被观测到。近藤效应是金属自由电子屏蔽局域磁性杂质时发生的强关联现象。当两个自旋简并的自由电子（各自带有自旋1/2）试图屏蔽同一个自旋1/2的磁性杂质时，一种新的非费米液体基态-双通道近藤效应将会发生。双通道近藤效应因其与强关联物理、重费米子、高温超导、拓扑物质、碳纳米管和量子点等的密切联系而备受关注。自旋双通道近藤效应中，一个自旋1/2杂质通过交换相互作用与两个等价的轨道通道中导带电子发生反铁磁耦合。然而，这种自旋双通道近藤效应，因其对两个耦合通道严格对称和零局域磁场的苛刻要求，很难从实验上直接观测到。幸运的是，理论预言轨道自由度简并的赝自旋杂质-双能级体系与导带两个自旋通道的电子发生强耦合条件下的共振散射时（如下图所示），将表现出物理上与自旋双通道近藤效应等价但较为稳定的轨道双通道近藤效应。对电输运特性的研究，可以提供轨道双通道近藤效应的直接实验证据：三温区电阻率反常上升、强磁场不依赖性和双能级体系结构无序特性。三十多年来，科学家们进行了大量的理论探讨和实验探索，但由于结论性实验观测的缺乏，轨道双通道近藤效应的理论预言和实验饱受争议。

　　最近，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员赵建华与德国马丁路德大学博士朱礼军、美国佛罗里达州立大学教授熊鹏和Pedro Schlottman合作，在L10-MnAl外延薄膜中首次观测到轨道双通道近藤效应的全部电输运证据，包括三温区电阻率反常上升、强磁场不依赖性和双能级体系结构无序特性，有力证明了轨道双通道近藤效应的存在。值得指出的是，他们利用分子束外延技术，通过对样品无序程度的精确控制，成功实现了双通道近藤效应诸如近藤温度、耦合强度、赝自旋杂质特征能量劈裂和体密度等特征参数的有效调控，从而深度验证了轨道双通道近藤效应的理论模型。另一方面，这也是首次在具有长程铁磁序的材料体系中观测到双通道近藤效应，证明了轨道双通道近藤效应可以与自旋极化能带结构共存，排除了长期以来认为即使很弱的导带自旋极化也可能会降低通道对称性从而彻底破坏轨道双通道近藤效应的疑虑。

　　该研究成果发表于国际期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。该工作得到了科技部和国家自然科学基金委等经费的支持。