浙江大學課題組在重費米子物理研究方面取得重要進展

　　1月5日，《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 簡稱PNAS）在線發表了浙江大學關聯物質研究中心/物理系袁輝球教授課題組及其合作者的研究成果。通過極強磁場條件下的低溫輸運、比熱以及磁學性質研究，他們首次在重費米子化合物CeRhIn5中發現兩類不同的量子相變，并指出費米面的重構可以用來區分理論上提出的不同類型的量子臨界點。該發現為建立量子相變理論提供了新的實驗依據，論文審稿人指出“This work will impact the heavy fermion society“.

　　重費米子主要存在于一些含有鑭系和錒系元素的金屬間化合物。在這些材料中，局域的f-電子與周圍的巡游電子雜化而形成一種復合費米子，其電子有效質量可高達自由電子的上千倍，因而又稱重費米子。重費米子體系中存在多種相互競爭的作用力，其能量尺度較低并且大小相當，因而可以通過壓力和磁場等外界參量對其基態進行有效調控，從而呈現出非常豐富的物理性質，是研究非常規超導、量子相變以及非費米液體行為等量子現象的理想體系。

　　經典的熱力學相變具有普適標度性，其臨界行為不依賴于具體材料或者相變類型，可通過序參量的漲落來描述。然而，對于近年來引起廣泛關注的發生在絕對零度的量子相變，其量子臨界點是否表現出與經典相變類似的普適標度行為仍是未解之謎。為了解釋不同重費米子體系中的量子臨界行為，人們提出了不同的量子相變理論，怎樣來表征和歸類不同類型的量子臨界點對建立統一的量子相變理論至關重要。

　　通過申請美國佛羅里達州立大學和拉斯阿拉莫斯國家實驗室的強磁場測量時間，袁輝球教授課題組及其合作者系統地測量了重費米子反鐵磁材料CeRhIn5在穩態強磁場（高達45特斯拉）以及脈沖強磁場（高達75特斯拉）條件下的低溫比熱、dHvA量子振蕩以及霍爾效應。他們首次報道，CeRhIn5在臨界磁場Bc0?50T時存在一個磁致反鐵磁量子臨界點。在外加磁場的誘導下，他們發現該體系在反鐵磁態內（B0*?30T）發生了費米面的突變，從“小”費米面變成“大”費米面，但在量子臨界點Bc0?50T，費米面沒有明顯變化。通過與能帶結構計算以及重費米子超導體CeCoIn5的費米面進行比較，他們還發現該磁致費米面的重構對應于4f-電子的局域-巡游轉變，是近藤效應產生的結果。這種費米面的突變是傳統的量子相變理論所不能解釋的。結合先前的文獻報道，即CeRhIn5在壓力誘導的量子臨界點處發生費米面的突變，他們指出CeRhIn5至少存在兩類不同的量子臨界點，并且可以根據費米面的變化特征來進行分類。這是首次在同一化合物中，通過磁場和壓力等參量進行調控而得到不同類型的量子臨界點，對完善量子相變理論，建立絕對零度下的多參量相圖（global phase diagram）提供了重要實驗依據。此外，該項研究還對理解磁性非常規超導的形成機理具有重要的借鑒意義。

　　該工作的部分研究結果還曾以研究亮點的形式入選美國國家強磁場實驗室的年度報告（MagLab Reports: The 2013 Highlight Issue)。美國強磁場實驗室作為目前世界上最先進的強磁場用戶實驗室，每年都會從眾多的用戶測量結果中篩選少數最重要的研究成果并以Highlight專輯的形式進行介紹，是國際上最重要的強磁場研究成果。作為該項目的后續研究，袁輝球教授正在同國內外的多個強磁場實驗室進行密切合作，系統而深入地研究CeRhIn5在強磁場、高壓以及低溫等綜合極端條件下的奇異物性，探索多種參量調控下的量子相變演化，并將其推廣到其它重費米子材料或者過渡金屬材料，致力于尋找強關聯電子體系中量子相變的普適規律，為建立量子相變理論提供實驗證據。

　　該項研究由浙江大學關聯物質研究中心/物理系袁輝球教授牽頭負責，美國拉斯阿拉莫斯國家實驗室、佛羅里達州立大學、萊斯大學，韓國成均館大學以及德國馬普固體化學物理研究所等單位聯合參與完成。該研究受到國家自然科學基金委、科技部、教育部以及浙江省自然科學基金等項目的資助。