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物理所重費(fèi)米子理論研究獲進(jìn)展

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物理所重費(fèi)米子理論研究獲進(jìn)展

摘要: 　　作為典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)，重費(fèi)米子體系中的電子表現(xiàn)出豐富的多體量子行為，其準(zhǔn)粒子的有效質(zhì)量在低溫下可以達(dá)到自由電子質(zhì)量的上千倍，超過繆子的質(zhì)量。這些低溫重電子產(chǎn)生于晶格中每個(gè)格點(diǎn)上的局域f電子自旋 ...

　　作為典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)，重費(fèi)米子體系中的電子表現(xiàn)出豐富的多體量子行為，其準(zhǔn)粒子的有效質(zhì)量在低溫下可以達(dá)到自由電子質(zhì)量的上千倍，超過繆子的質(zhì)量。這些低溫重電子產(chǎn)生于晶格中每個(gè)格點(diǎn)上的局域f電子自旋與導(dǎo)帶電子自旋的集體糾纏。隨著溫度降低或兩種自旋之間相互作用的增強(qiáng)，臨近格點(diǎn)間的自旋糾纏產(chǎn)生強(qiáng)烈的相干性，在量子力學(xué)效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下，局域的f電子被導(dǎo)帶電子挾裹著運(yùn)動(dòng)，逐漸喪失了自己的局域性，最終與導(dǎo)帶電子復(fù)合，產(chǎn)生了帶有強(qiáng)烈f軌道特征的巡游重電子。這種巡游性和局域性的共存與競(jìng)爭(zhēng)是產(chǎn)生非常規(guī)超導(dǎo)、非費(fèi)米液體、量子相變等奇異量子效應(yīng)的物理根源，而如何構(gòu)建這一物理圖像的理論描述，是重費(fèi)米子學(xué)習(xí)的核心問題。
　　過去10年間，中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）學(xué)習(xí)員楊義峰與合作者一起發(fā)展了重費(fèi)米子的二流體理論，用局域自旋液體和巡游重電子兩種流體近似描述f電子的這種局域和巡游的二重性。在此基礎(chǔ)上總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巡游重電子的貢獻(xiàn)在很多物理測(cè)量如核磁共振、霍爾輸運(yùn)中表現(xiàn)出普適的溫度演化規(guī)律，并建立了重費(fèi)米子反�；魻栂禂�(shù)、核磁共振、重費(fèi)米子超導(dǎo)、量子臨界等奇異物性的唯象模型。有關(guān)二流體唯象理論的這些進(jìn)展，在楊義峰最近應(yīng)邀撰寫的一篇綜述文章中有簡(jiǎn)要概述【Rep. Prog. Phys. 79， 074501 (2016)】。
　　二流體唯象理論的成功迫切要求建立其具體的微觀理論描述。最近兩年，他們從不同的角度進(jìn)行了嘗試：
　　首先，如何表征f電子的局域／巡游性質(zhì)？為此，楊義峰和博士生謝能（現(xiàn)已畢業(yè)）考慮到局域f自旋與導(dǎo)帶電子之間的動(dòng)力學(xué)糾纏，利用密度矩陣重整化群方法（DMRG）學(xué)習(xí)了一維Kondo-Heisenberg模型，發(fā)現(xiàn)在f電子從局域到巡游的轉(zhuǎn)變過程中，其自旋關(guān)聯(lián)譜函數(shù)在動(dòng)量空間的分布特征發(fā)生了變化，這種變化或可表征f電子局域或巡游的程度。這一學(xué)習(xí)提出了局域／巡游二重性的一種近似判依，但由于方法的限制，目前局限于零溫一維系統(tǒng)，尚有待推廣到有限溫度和二維或三維體系【Phys. Rev. B 91， 195116 (2015)】。
　　其次，如何解釋巡游重電子的普適溫度依賴行為？為此，楊義峰和瑞士蘇黎世理工學(xué)院博士蔣密利用動(dòng)力學(xué)團(tuán)簇近似（DCA）對(duì)周期性Anderson模型的核磁共振Knight位移和磁化率進(jìn)行了模型計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩者之間對(duì)線性關(guān)系的偏離（即反常Knight位移）確實(shí)在一個(gè)很大的溫度區(qū)間內(nèi)具有二流體理論所預(yù)言的普適標(biāo)度律。但是進(jìn)一步計(jì)算卻發(fā)現(xiàn)，其特征溫度與計(jì)算所得的態(tài)密度和電阻的特征溫度有很大差異，而實(shí)驗(yàn)（如在CeCoIn5中）觀測(cè)則認(rèn)為三者應(yīng)有近似共同的特征溫度。這一差異背后的物理根源尚有待進(jìn)一步探索，可能意味著他們所采用的簡(jiǎn)單模型存在問題【Phys. Rev. B 95， 235160 (2017)】。
　　第三，能否建立起二流體行為的直觀的平均場(chǎng)描述？為此，楊義峰和美國(guó)圣塔菲學(xué)習(xí)院教授David Pines、英國(guó)劍橋大學(xué)教授Gilbert Lonzarich合作，仔細(xì)分析了傳統(tǒng)的基于Kondo-Heisenberg模型的平均場(chǎng)理論，發(fā)現(xiàn)一般的平均場(chǎng)處理忽略了f電子與導(dǎo)帶電子雜化的空間漲落，導(dǎo)致了與實(shí)驗(yàn)的偏差。他們由此認(rèn)為二流體現(xiàn)象可能超越了平均場(chǎng)理論的框架，需要考慮到集體雜化的空間和時(shí)間漲落的效應(yīng)。前面基于DMRG和DCA方法的計(jì)算之所以能夠取得局部成功，可能正與此有關(guān)【Rep. Prog. Phys. 80， 024501 (2017)】。
　　最近，他們?cè)趯W(xué)習(xí)新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在重費(fèi)米子體系中存在兩類普適標(biāo)度律：一類是二流體理論預(yù)言的重電子隨溫度演化的普適對(duì)數(shù)依賴行為，這類標(biāo)度律主要體現(xiàn)在核磁共振和霍爾系數(shù)等實(shí)驗(yàn)中；另一類是通常大家所熟悉的量子臨界標(biāo)度律，對(duì)溫度呈現(xiàn)冪數(shù)的依賴性，主要體現(xiàn)在電阻和磁化率等測(cè)量中。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩類標(biāo)度律出現(xiàn)的溫度范圍不同，第一類標(biāo)度律伴隨著重電子的產(chǎn)生，在相干溫度下立即出現(xiàn)，在低溫下會(huì)受到磁性量子臨界漲落的影響，在磁性量子臨界點(diǎn)附近會(huì)讓位于第二類冪數(shù)標(biāo)度律。這一結(jié)果表明兩類標(biāo)度律具有不同的物理起源，應(yīng)該分別與重費(fèi)米子體系中的兩類量子臨界點(diǎn)有關(guān)：第一類源自f電子的局域－巡游轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的雜化漲落，第二類源自局域f電子磁性量子相變導(dǎo)致的磁性量子臨界漲落【Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114， 6250 (2017)】。
　　基于以上考慮，他們提出了一個(gè)新的物理圖像，認(rèn)為應(yīng)該從兩類量子漲落耦合和競(jìng)爭(zhēng)的角度理解重費(fèi)米子體系的局域－巡游二重性及其誘導(dǎo)的各種奇異量子現(xiàn)象。發(fā)展這一圖像，并構(gòu)建其一般性的微觀理論描述，是未來的主要學(xué)習(xí)任務(wù)。
　　以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（11522435、11174339）、科技部（2015CB921303）和中科院（XDB07020200、青促會(huì)）的資助。
　　論文信息：
　　[1]
　　Y.-F. Yang， Rep. Prog. Phys. 79， 074501 (2016)
　　[2]
　　N. Xie and Y.-F. Yang， Phys. Rev. B 91， 195116 (2015)
　　[3]
　　M. Jiang and Y.-F. Yang， Phys. Rev. B 95， 235160 (2017)
　　[4]
　　G. Lonzarich， D. Pines and Y.-F. Yang， Rep. Prog. Phys. 80， 024501 (2017)
　　[5]
　　Y.-F. Yang， D. Pines and G. Lonzarich， Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114， 6250 (2017)
　　論文鏈接：1 2 3 4 5



　　圖1：重費(fèi)米子晶格上由局域自旋液體和巡游重電子形成的二流體行為示意圖



　　圖2：重費(fèi)米子材料CeRhIn5的壓力-溫度相圖及其各種實(shí)驗(yàn)所給出的特征溫度，其中HYQC代表雜化量子臨界區(qū)，AFQC代表反鐵磁量子臨界區(qū)。



　　圖3：三類重費(fèi)米子材料、兩類量子臨界點(diǎn)及其相應(yīng)的量子臨界漲落示意圖。其中f0表征雜化強(qiáng)度，T*為相干溫度，TQC為磁性量子臨界區(qū)的上邊界，陰影示意兩類不同的量子漲落，TL之下f電子完全巡游。物理所重費(fèi)米子理論研究獲進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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