凝聚態(tài)物理學(xué)是通過研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)(固體和液體)的電子、離子、原子及分子的運動形態(tài)和規(guī)律，從而認識其物理性質(zhì)的學(xué)科。凝聚態(tài)物理學(xué)這一名稱最早出現(xiàn)于20世紀70年代，它是固體物理學(xué)的向外延拓。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，凝聚態(tài)物理學(xué)已成為物理學(xué)中最大也是最重要的分支學(xué)科之一，在半導(dǎo)體、超導(dǎo)、磁學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域中取得的重大成就為發(fā)展新材料、新器件和新工藝提供了科學(xué)基礎(chǔ)，有些在當代高新技術(shù)領(lǐng)域中已起到關(guān)鍵性作用。同時其不斷涌現(xiàn)出新的前沿研究熱點，如近年來廣受關(guān)注的拓撲材料與二維材料等。而凝聚態(tài)物理學(xué)研究中所使用的實驗條件也從常規(guī)條件發(fā)展到極端條件以及多種極端條件相結(jié)合。

利用磁場來探索凝聚態(tài)系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)是當前凝聚態(tài)物理學(xué)研究中的一種重要方法，通過磁場對材料內(nèi)部電子的作用，可以幫助我們得到材料內(nèi)部的許多微觀信息。磁場越強，對電子的作用就越大，并且有些物理現(xiàn)象只發(fā)生在極高的磁場下，因此磁場越強能夠得到的信息也就越多。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置為凝聚態(tài)物理學(xué)實驗研究提供了最高達45.22特斯拉的極端穩(wěn)態(tài)強磁場環(huán)境，同時可以結(jié)合超低溫與超高壓等極端實驗條件，為相關(guān)方向的研究人員提供了一個獨特的極端條件實驗平臺，并已幫助眾多用戶取得了優(yōu)秀的科研成果。本文挑選了幾個具有代表性的成果來展示穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置在凝聚態(tài)物理學(xué)幾個方向上的重要應(yīng)用。

拓撲學(xué)，是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。有關(guān)拓撲學(xué)的一個有趣示例就是一個帶手柄的杯子如何變成一個甜甜圈。如圖1所示，先將杯子的底部移動到頂部，再將杯子向中間擠壓，最后拉伸一下手柄，這樣一個帶手柄的杯子就變成了一個甜甜圈。

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圖1杯子變甜甜圈示意圖

近年來的相關(guān)研究表明，可以將拓撲這一概念運用到凝聚態(tài)物理體系上，某些材料的能帶具有拓撲性質(zhì)并可通過拓撲不變量進行描述，這就是拓撲材料，其電子等準粒子結(jié)構(gòu)具有拓撲特性。拓撲材料體系的研究范疇包括：固體材料中電子、聲子、磁振子以及等離激元等元激發(fā)譜的拓撲分類研究；各種拓撲材料的材料生長、制備和物相表征；各種拓撲材料的拓撲物性研究，包括譜學(xué)、輸運、磁性、光學(xué)特性等。拓撲材料主要分為拓撲絕緣體、拓撲半金屬等。拓撲絕緣體是指其體態(tài)為有能隙的絕緣體，而邊界上具有導(dǎo)電通道的拓撲能帶結(jié)構(gòu)的材料。電子在邊緣態(tài)上傳輸時不會受到雜質(zhì)的散射，不會消耗能量，因此具有巨大的應(yīng)用潛力，有關(guān)拓撲絕緣體的研究也是當今凝聚態(tài)物理的熱點。我國科學(xué)家對拓撲絕緣體的研究做出了巨大貢獻。2009年理論預(yù)測了Bi₂Se₃家族為拓撲絕緣體，隨后又理論預(yù)測摻雜磁性原子Fe或Cr的Bi₂Se₃薄膜可以實現(xiàn)反常量子霍爾效應(yīng)，最終這些理論預(yù)測都得到了實驗證實。

隨著拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)，材料的拓撲性質(zhì)和新穎的量子效應(yīng)在過去十年中引起了廣泛的關(guān)注。拓撲材料家族已從最初的拓撲絕緣體逐漸擴展到狄拉克半金屬和外爾半金屬。狄拉克半金屬和外爾半金屬都屬于拓撲半金屬，其典型特征為價帶和導(dǎo)帶接觸點的出現(xiàn)。到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種類型的拓撲半金屬，其類型可以通過能帶接觸點的屬性加以區(qū)分，例如接觸點的簡并度、接觸點是否連成封閉曲線以及價帶和導(dǎo)帶在能量上是否有能量交疊等。這些屬性的區(qū)分極大地擴展了拓撲半金屬家族。在實驗上證實了狄拉克半金屬和外爾半金屬的存在則將拓撲半金屬的研究工作推到了凝聚態(tài)物理的最前沿。而強磁場在相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的用戶在相關(guān)工作中做出了許多重要的成果。

ZrTe₅是一種低對稱性的準二維(2D)層狀材料，但角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)和磁紅外光譜研究表明它是3D狄拉克半金屬的有前途的候選材料。研究人員在穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置高達31T的磁場下通過對角度依賴性磁阻進行測量，發(fā)現(xiàn)了層狀材料ZrTe₅的3D狄拉克半金屬相的直接量子傳輸證據(jù)。研究人員觀察到明顯的量子振蕩現(xiàn)象，為證實ZrTe₅是3D狄拉克半金屬相提供了明確的證據(jù)。此外，在高磁場下觀察到明顯的朗道能級分裂(如圖2所示)，表明ZrTe₅材料中的狄拉克點可能分裂成外爾點。研究結(jié)果表明，ZrTe₅是研究層狀化合物中三維無質(zhì)量狄拉克和外爾費米子的理想平臺。該項成果發(fā)表在Physical ReviewB雜志上。另外通過對在強磁場中高壓下ZrTe₅單晶的磁阻和SdH量子振蕩測量觀察到量子振蕩的突然相移，并從高度各向異性演變?yōu)閹缀醺飨蛲缘碾娮酉到y(tǒng)。通過高達33T的磁場中的熱電效應(yīng)測量，在量子極限以下觀察到了異常的能斯特效應(yīng)和熱電的準線性場依賴性，這可能是由零級朗道能帶閉合導(dǎo)致的。這些成果都發(fā)表在了Physical Review Letter雜志上。

圖2? (a)在不同溫度下，磁阻R_xx與磁場B(高達31T)的關(guān)系圖；(b)不同溫度下的振蕩分量ΔR_xx與1/B的關(guān)系

TaAs是另一種典型的拓撲材料。研究發(fā)現(xiàn)，壓力可以誘導(dǎo)TaAs產(chǎn)生新的拓撲相，并且這種新的壓力誘導(dǎo)相可以在降到常壓時保持穩(wěn)定。研究人員利用強磁場實驗裝置研究了TaAs在高達33T的磁場中的電輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當外爾電子被限制在最低的朗道能級時，霍爾信號和低溫下的縱向磁阻中會出現(xiàn)強烈的溫度依賴性異常[Phys. Rev. B 94,205120 (2016)]。依托于穩(wěn)態(tài)強磁場裝置水冷磁體，研究人員在強磁場中測量了TaAs的磁化性質(zhì)，觀察到當系統(tǒng)進入量子極限時，TaAs具有準線性磁場依賴的有效橫向磁化和非飽和縱向磁化行為，驗證了TaAs是一種外爾半金屬拓撲材料(圖3)。該項成果發(fā)表于Nature Communications雜志上。通過強磁場研究材料的量子振蕩也被廣泛用于研究其他拓撲材料，如SrxBi₂Se₃，PdTe，TaSb₂，并已用于實驗驗證PtBi₂，WC中的三重簡并節(jié)點和具有巨大異常霍爾效應(yīng)的磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂。

圖3 (a)外爾半金屬能帶示意圖；(b) TaAs磁扭矩、橫向磁化率隨磁場的變化

1908年荷蘭低溫物理學(xué)家昂內(nèi)斯成功地液化了氦氣，而后于1911年發(fā)現(xiàn)某些金屬在液氦溫度下電阻會突然消失，即“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象，昂內(nèi)斯也因此發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。

超導(dǎo)材料具有兩大顯著特性，零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)。零電阻效應(yīng)是指材料在特定溫度下電阻突然消失，這一溫度叫做超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，也叫臨界溫度。臨界溫度之上材料為正常態(tài)，臨界溫度之下材料為超導(dǎo)態(tài)。邁斯納效應(yīng)是指處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部。超導(dǎo)體可用來實現(xiàn)諸如無損耗輸電、穩(wěn)恒強磁場和高速磁懸浮車等。目前超導(dǎo)材料在醫(yī)療器械、國防軍事、電子通信、電力能源、交通運輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。

1957年巴丁，庫伯和施里弗合作發(fā)表了BCS理論對超導(dǎo)現(xiàn)象進行了解釋并隨后獲得了諾貝爾獎。假設(shè)電子是有規(guī)律運動，原子核是周期性結(jié)構(gòu)，聲子也是有規(guī)律運動的，這樣只需考慮一個原子核相鄰的兩個電子。庫伯證明了低溫下費米球外一對自旋相反的電子存在相互吸引作用，可以束縛成對，叫做庫伯對，這種互相吸引是通過電子間交換虛聲子產(chǎn)生的。庫伯對的產(chǎn)生減小了電子基態(tài)的能量，使費米能處的單個電子凝聚到一個能量低Δ的態(tài)中。Δ稱為BCS能隙，至少需要2Δ的能量才能打破庫珀對，形成激發(fā)態(tài)。庫伯對是玻色子，在低溫下會出現(xiàn)玻色愛因斯坦凝聚，所有的庫伯對都被凝聚在了基態(tài)上，在電子輸運時就不會被散射，宏觀上表現(xiàn)為零電阻效應(yīng)。

根據(jù)BCS理論解釋，由于電聲子耦合作用的限制，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般低于40K，即麥克米蘭極限。但是隨著越來越多的超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也在逐漸提高。一些不能被BCS理論所解釋的超導(dǎo)體被稱為非常規(guī)超導(dǎo)體。氧化銅高溫超導(dǎo)體是最著名的非常規(guī)超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體作為第二個高溫超導(dǎo)家族也受到了廣泛的關(guān)注。高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機制不同于傳統(tǒng)超導(dǎo)體，目前普遍認為高溫超導(dǎo)體的庫伯對形成與磁相互作用以及自旋漲落有關(guān)。超導(dǎo)體的上臨界磁場對應(yīng)著磁場破壞超導(dǎo)的兩種機制，一種是軌道拆對機制，另一種是泡利順磁極限機制。泡利順磁極限機制可以理解為外加磁場導(dǎo)致材料中電子的能帶根據(jù)自旋方向發(fā)生劈裂，系統(tǒng)能量降低，降低的能量尺度為塞曼能。當塞曼能大于超導(dǎo)凝聚態(tài)能時，超導(dǎo)態(tài)被破壞。對于非常規(guī)超導(dǎo)體，可能存在遠超于弱耦合泡利順磁極限1.86 T_c的較大的上臨界磁場，這種現(xiàn)象可以在強磁場下得到證實。

如圖4所示，作為基本參數(shù)，上臨界場(H_c2)的溫度依賴性不僅對超導(dǎo)材料的應(yīng)用具有重要的意義，同時它也對材料的超導(dǎo)機理研究具有重要的意義，特別是在接近零溫時的行為，可以給出材料配對對稱性與能隙結(jié)構(gòu)等方面的信息。而穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置所能提供的強磁場環(huán)境在新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體(如Nb₂Pd_xS_5?δ²⁰和基于Cr的準一維超導(dǎo)體等)的H_c2測定中起著重要作用。圖5顯示了RbCr₃As₃晶體的H_c2-T相圖。可以看出，H^//c_c2(0)和H^//ab_c2(0)均超過BCS弱耦合泡利極限(μ₀H_p)，表明此材料為非常規(guī)超導(dǎo)體，該項成果發(fā)表在Physical ReviewB雜志上。

圖4超導(dǎo)體的H_c2隨溫度的變化關(guān)系

圖5? RbCr₃As₃的H_c2-T相圖

對于一些傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，當它們被簡化為二維(2D)時，它們也顯示出超過泡利極限的增強H_c2。研究人員采用超高真空分子束外延法制備了宏觀面積的單層NbSe₂薄片，利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置在強磁場和極低溫下的輸運測量結(jié)果表明上臨界場是NbSe₂順磁極限場的5倍以上[Nano Letters17,6802 (2017)]。研究人員通過在硅襯底上的鉛條紋非公度相上用超高真空分子束外延技術(shù)成功制備出一種宏觀面積的、塞曼保護的新型二維超導(dǎo)體。圖6顯示了這種超薄單晶Pb薄膜在磁場高達35.5 T下的各種溫度下電阻的平行磁場依賴性。顯然，零溫度下的H_c2遠高于泡利極限μ₀H_p= 14.7 T，這表明超薄Pb薄膜中具有塞曼保護的超導(dǎo)性。隨后研究人員對此進行了理論計算，定量地解釋了塞曼保護超導(dǎo)電性的物理機制。基于微觀分析，發(fā)現(xiàn)塞曼型自旋軌道相互作用(SOI)在很大程度上增強了面內(nèi)臨界場。本工作揭示了界面調(diào)制SOI對外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超導(dǎo)對具有深遠的影響，可為研究非常規(guī)超導(dǎo)性提供有前途的平臺。預(yù)示出人們有望在二維超導(dǎo)體系中，通過界面調(diào)制發(fā)現(xiàn)新的非常規(guī)超導(dǎo)特性。這種宏觀尺度強自旋軌道耦合下的二維超導(dǎo)，也為拓撲超導(dǎo)的探索提供了新的平臺，并為未來無耗散或低耗散量子器件的設(shè)計與集成奠定了基礎(chǔ)。該項成果發(fā)表在Physical ReviewX雜志上。

圖6??不同溫度下超薄單晶Pb薄膜在平行磁場下(最高場高達35.5 T)的電阻與磁場關(guān)系圖

極端條件下超導(dǎo)體的研究對于應(yīng)用和超導(dǎo)機理研究具有重要意義。即使對于一些傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，它們在極端條件下的性能仍然缺乏知識。NbTi合金是制造商用超導(dǎo)磁體的最重要材料之一，科研人員利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置對其在強磁場和高壓下進行了研究。圖7顯示了NbTi合金的壓力-磁場-T_C相圖。隨著壓力從0增加到261 GPa，T_C從9.6 K增加到19.1 K，H_c2在1.8 K時從15.4T增加到19T。值得注意的是，在如此超高壓下沒有結(jié)構(gòu)相變，盡管環(huán)境壓力體積縮小了45%。結(jié)果表明，NbTi合金的超導(dǎo)性在已知超導(dǎo)體中在壓力下是最穩(wěn)健的。此外，其高壓下的T_C和H_c2值在僅由過渡金屬元素組成的合金超導(dǎo)體中創(chuàng)下了新紀錄。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了NbTi合金非凡的高壓超導(dǎo)性能，而且有助于更好地理解超導(dǎo)機理。該項成果PhysicalReviewX雜志上。

?圖7? NbTi合金的壓力–磁場-T_C相圖

低維材料是指至少在一個維度上尺寸處于納米尺度的材料，主要包括零維、一維和二維結(jié)構(gòu)，以及以低維結(jié)構(gòu)為基本單元構(gòu)筑的復(fù)合結(jié)構(gòu)、組裝體和功能器件。二維材料，包括兩種材料的界面，或附著在基片上的薄膜，其中界面的深或膜層的厚度在納米量級。半導(dǎo)體量子阱是典型的二維材料。一維材料，或稱量子線，線的粗細為納米量級。零維材料，或稱量子點，它由少數(shù)原子或分子堆積而成，微粒的大小為納米量級。典型的零維材料是半導(dǎo)體和金屬的原子簇。

在低維體系中，維度的降低導(dǎo)致體系對載流子濃度、介電環(huán)境、壓強、應(yīng)力、電場、磁場等非常敏感。因此，我們可以在一個極其寬廣的多參數(shù)空間對其結(jié)構(gòu)和物性進行精細調(diào)控，進而實現(xiàn)一系列新奇量子物態(tài)。低維材料具有極小的體積和大量的表面積，使得低維材料具有大量的表面活性位點，這種特性使其在催化，吸附和儲能等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。低維材料還具有獨特的光電學(xué)性質(zhì)，其電子結(jié)構(gòu)與三維材料中的電子結(jié)構(gòu)不同，電子由于被約束在一維或二維空間內(nèi)，其動力學(xué)行為變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了一些奇特的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，使得低維材料在光電器件和太陽能電池領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。低維材料體積小，可以更好地承受應(yīng)變，在外加應(yīng)力下，表現(xiàn)出了極高的應(yīng)變率，可應(yīng)用于電聲傳感器和光學(xué)器件領(lǐng)域。

目前，類似石墨烯的低維材料正在被廣泛研究。隨著維數(shù)的減小，量子效應(yīng)增加。在三維(3D)材質(zhì)中可以忽略不計的界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和拓撲效應(yīng)將在低維材質(zhì)中顯現(xiàn)出來。因此，低維材料會表現(xiàn)出3D材料所沒有的新穎量子效應(yīng)。由于空間維數(shù)的減小，電子的電荷、自旋、軌道與晶格自由度之間的相關(guān)性和耦合性也會局部加強，從而使自旋量子態(tài)對磁場、電場、應(yīng)力場、光場和溫度的響應(yīng)更加顯著。科研人員利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置對低維材料進行了許多研究。

研究人員利用聚合物轉(zhuǎn)移的方法，將石墨，氮化硼和黑磷的薄層依次疊加在襯底上形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置提供的強磁場環(huán)境下首次觀察到了黑磷中的量子霍爾效應(yīng)，如圖8所示。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)是指霍爾電阻并不隨磁場強度的增大按線性關(guān)系變化，而是作臺階式的變化。這項研究為進一步研究黑磷中的量子輸運奠定了基礎(chǔ)。該項成果發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。

?圖8??穩(wěn)態(tài)強磁場下黑磷二維空穴氣體中的量子霍爾效應(yīng)

元素鉍是半金屬，由于其具有低的電子濃度、小的電子有效質(zhì)量和大的電子平均自由程，從而成為人們研究宏觀量子現(xiàn)象的典型材料而被長期關(guān)注。而鉍納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)更加豐富，理解塊狀鉍中的奇異量子現(xiàn)象仍然存在爭議，并引起了人們的新興趣。問題的焦點是這些量子特性是否就是體材料所具有的性質(zhì)，還是與Bi基拓撲絕緣體有關(guān)的由于自旋-軌道相互作用所導(dǎo)致的表面效應(yīng)。近年來，鉍化合物被發(fā)現(xiàn)是拓撲絕緣體，但對鉍單晶是否具有拓撲絕緣體性質(zhì)還缺乏實驗證據(jù)。研究人員利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置在磁場高達31T下對不同厚度的單晶鉍納米帶進行了角度依賴的磁阻(AMR)測量，發(fā)現(xiàn)鉍納米帶具有二維的拓撲表面態(tài)，且表面態(tài)與納米帶的厚度有關(guān)。如圖9所示。在厚度為40 nm的薄納米帶中觀察到二重對稱的低場AMR譜和兩組量子振蕩。實驗結(jié)果顯示，隨著樣品厚度的增加，低場AMR譜變?yōu)樗闹貙ΨQ，量子振蕩變?yōu)槿S體材料行為。這些結(jié)果表明納米帶具有二維金屬表面狀態(tài)和體絕緣的性質(zhì)。該研究成果發(fā)表在ACS Applied Nano Materials雜志上。

圖9? (a)納米帶的透射電子顯微鏡圖像(b)在0.4 K下樣品的電阻與磁場的關(guān)系

低維材料由于較大的表面體積比，表面狀態(tài)和拓撲效應(yīng)會變得更加明顯。量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理中研究最多的現(xiàn)象之一，并且與拓撲相、強電子相關(guān)性和量子計算等研究領(lǐng)域相關(guān)，量子霍爾效應(yīng)是否可以在不簡單堆疊二維系統(tǒng)的情況下擴展到更高維度有待進一步研究。依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置，研究人員在Cd₃As₂納米材料上發(fā)現(xiàn)了新的量子霍爾效應(yīng)。Cd₃As₂是一種拓撲狄拉克半金屬。在表面主導(dǎo)的Cd₃As₂納米片中，研究人員觀察到量子振蕩隨著磁場的增加而發(fā)展為具有非零縱向電阻的量子霍爾態(tài)。與傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)不同，這種獨特的量子霍爾效應(yīng)可能與外爾軌道的量子化有關(guān)。然后，研究人員使用具有可變厚度的楔形Cd₃As₂納米結(jié)構(gòu)在強磁場下進行了輸運實驗。他們發(fā)現(xiàn)量子霍爾傳輸受到樣品厚度的強烈調(diào)制，如圖10所示。朗道能級對磁場大小和方向以及樣品厚度的依賴性與基于外爾軌道修正的Lifshitz-Onsager關(guān)系的理論預(yù)測一致。該項成果發(fā)表在Nature雜志上。

圖10? (a)外爾軌道在磁場B下的示意圖? ?(b)霍爾電阻R_xy與磁場的關(guān)系示意圖

穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是國家發(fā)改委支持的“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，在建設(shè)和運行中創(chuàng)造了多項世界紀錄并實現(xiàn)多個國際首創(chuàng)，為凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物學(xué)和生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域開展國際前沿探索、交叉前沿研究提供了重要的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗平臺。開放運行10多年以來，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置在凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域支撐了國內(nèi)外眾多用戶開展了大量高水平、有特色的研究工作，產(chǎn)生了一大批具有國際影響力的科學(xué)成果。未來穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置將繼續(xù)為我國搶占國際前沿科技高地提供平臺支撐。