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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的段俊熙副教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在異維超晶格結(jié)構(gòu)中證實(shí)了由維度調(diào)控磁性引起的各向異性的近藤效應(yīng)。這一研究結(jié)果首次提出并實(shí)現(xiàn)了異維近藤超晶格體系，為探索關(guān)聯(lián)物理提供了新的思路。研究成果發(fā)表于《Nature Communications》。

在非磁金屬中，隨著溫度降低，由于晶格振動的減弱等會導(dǎo)致體系電阻減小。然而，當(dāng)在金屬中添加少量磁性原子后，隨著溫度降低至某一臨界值以下時(shí)，電阻反而會增加。這一反常行為即著名的近藤效應(yīng)。對近藤效應(yīng)的研究揭示了局域磁矩與巡游電子間相互作用的重要性。這一多體相互作用可以在材料中引發(fā)許多有趣的電子特性，如重費(fèi)米子行為和非常規(guī)超導(dǎo)性等。相關(guān)研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。

在大多數(shù)近藤系統(tǒng)中，局域磁矩是通過磁性雜質(zhì)和缺陷引入的。然而，材料本征的磁性也可以通過維度進(jìn)行有效調(diào)控。最近報(bào)道的異維超晶格的合成提供了一個(gè)構(gòu)建近藤系統(tǒng)的新途徑[Nature 609, 46–51 (2022)]。不同于傳統(tǒng)的同維超晶格，異維超晶格體系由不同維度的部分組成，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)新的自由度——維度——用于調(diào)控材料中的磁性和電荷輸運(yùn)特性。這種通過維度調(diào)控磁性構(gòu)建的近藤系統(tǒng)可以稱為異維近藤超晶格。

北京理工大學(xué)段俊熙副教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)長期致力于新型拓?fù)浜土孔硬牧系妮斶\(yùn)性質(zhì)研究。為了實(shí)現(xiàn)這種異維近藤超晶格，研究團(tuán)隊(duì)選擇了擁有豐富磁學(xué)性質(zhì)的過渡金屬二硫化物VS₂- VS異維超晶格作為候選材料。該結(jié)構(gòu)由北京理工大學(xué)的周家東教授最先合成[Nature 609, 46–51 (2022)]。研究中，我們發(fā)現(xiàn)：（1）在VS₂- VS異維超晶格觀察到了電阻關(guān)于溫度的對數(shù)依賴關(guān)系以及負(fù)磁阻，即近藤效應(yīng)的典型特征。有趣的是這兩者對磁場的依賴關(guān)系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性，如圖1所示；（2）利用圓盤型器件，確定了各向異性的負(fù)磁阻來源于近藤效應(yīng)的各向異性磁場依賴，如圖2所示；（3）通過提取朗德g因子及居里溫度，結(jié)合第一性原理計(jì)算，證實(shí)了近藤效應(yīng)的各向異性磁場依賴來源于維度引起的各向異性磁性，如圖3所示。

圖1. 異維近藤超晶格中的近藤效應(yīng)

圖2. 異維近藤超晶格圓盤器件的近藤效應(yīng)

圖3. 各向異性的磁性

北京理工大學(xué)為該研究工作的唯一完成單位。北京理工大學(xué)的段俊熙副教授、姚裕貴教授、蔣偉教授和周家東教授為本文的通訊作者。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生馮啟為論文第一作者。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市重點(diǎn)、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目以及北京理工大學(xué)微納技術(shù)中心的支持。

Qi Feng, Junxi Duan*, Ping Wang, Wei Jiang*, Huimin Peng, Jinrui Zhong, Jin Cao, Yuqing Hu, Qiuli Li, Qinsheng Wang, Jiadong Zhou* & Yugui Yao*, “Heterodimensional Kondo superlattices with strong anisotropy”, Nat. Commun. 15, 5491 (2024)  (*為通訊作者)

URL：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49618-x