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输运性质测量是探测材料内部的各种散射机制的重要手段。载流子的输运过程跟电子结构和各种低能激发密切相关,也受到缺陷、杂质等的影响,因而是被广泛用于研究超导、重费米子体系、以及量子相交和临界行为。特别是Nernst效应,由于近年来人们发现其对电子结构和相变十分敏感,越来越得到人们的重视。
在本论文里,我们用输运性质(包括磁热电效应)测量分别研究了三种有代表性的低维电子体系:(1)最近发现的新铁基超导体1111相的LaFeAsO0.9F0.1的输运测量,包括能斯特效应的测量;(2)研究了半金属物质石墨在极低温强磁场下的输运性质。(3)对重费米子超导体URu?Si?进行了电阻率和热电势的研究。对于前两种体系的能斯特效应研究,我们都是首次报道。所得到的主要创新性结果如下:
(1)对于Tc为26K的1111相铁基超导体LaFeAsO0.9F0.1,我们首先报道了其Nernst效应,发现其能斯特系数在正常态是负的,只有较弱的温度依赖关系。但在超导转变温度以上到50K左右的温度范围,我们发现能斯特信号便开始偏离正常态的背景,开始明显增大。结合电阻率、霍尔系数和热电势测量,我们得到了的非对角佩尔贴(Peltier)系数等物理量。非对角的佩尔贴系数同样在50K以下被压制。我们认为,在50K左右增大的能斯特信号可能来自于被压制的自旋涨落。在Tc以下,我们观测到了由磁通流动所引起的正的能斯特信号。在1111相中,由于二维特性,其磁通融化区也较大,可以与高温超导体相比拟。
(2)在普通金属中,由于Sondheimer CancellaTiO2的原因,能斯特信号都很小,所以研究它的人并不多。在理论上,Nernst效应也是一种缺少深入理解的输运现象。我们研究了由类似无数层二维石墨烯组成的三维块体石墨中的能斯特信号。发现与二维的单层的石墨烯相比,两者的能斯特信号却有着天壤之别:在朗道能级经过化学势时,三维的石墨的能斯特信号总是出现蜂。而据报道,二维的石墨烯的能斯特信号却是消失的。分析这两者之间的差异:三维的石墨比二维的石墨烯多出的是层与层之间的耦合。所以,我们认为这层间的耦合便是这种维度转变的来源。比较三维和二维费米面的不同,我们更发现:当扫描磁场时,三维费米面会发生电子的拓扑相变:费米面变成量子化的环片。随着磁场的变化,偶数的量子化环片会移动,并在一定的磁场下合并,变成奇数个量子化的环片,这时发生电子的拓扑相变。我们认为这种电子拓扑相变是三维块体石墨中能斯特效应峰的来源。我们同时发现,在各种输运系数中能斯特效应是对这种拓扑电子相变最敏感的。所以,测量Nernst效应是探测电子拓扑相变最有效的方式。
(3)重费米子超导体是比高温超导体还要早发现的非常规超导体,却还依然有着强大吸引力的一个体系。我们对重费米子超导体URu2Si2的两个不同方向上,进行了电阻率和热电势的测量。分别使用电流与热流与磁场平行的方式进行,避免了额外的磁阻引入。我们发现与其它的各向异性的超导体不同,电导率小的方向上反而上临界场Hc2比较高。进而,我们发现当电流(热流)沿着C方向时,这两种输运性质呈现出传统的费米液体的行为。与之成对比的是,当电(热)流沿着a方向上时,低温下电阻率与温度的依赖关系为线性的,而且热电势在极低温下发生了符号的改变。以上种种迹像显示在样品两个不同的方向时有着不同的费米液体能量标度。沿着a方向上的费米能量标度几乎可以接近于消失。而这可能能够解释为什么该超导体的相干长度具有反常的各向异性。