物理所合作在重費米子材料量子臨界現象研究中獲進展

　　超導的出現與材料中的結構、磁或價態的不穩定性密切相關。在這些不穩定性所導致的相變點附近存在強烈的熱或量子漲落，會引起電子配對產生超導。在強關聯材料中，非常規超導往往出現在零溫反鐵磁相變（量子臨界點）附近，表明非常規超導依存于磁性量子漲落。實驗上對反鐵磁母體加壓／磁場或化學摻雜，往往可以在磁性相變點附近得到超導。但是并非所有反鐵磁體都可以通過這種方式成為超導。在重費米子材料中，許多Ce基材料如CeRhIn5，CePt2In7在高壓下確實出現了超導，而幾乎所有Yb基材料如YbRh2Si2在磁性量子臨界點附近卻都沒有發現超導，導致這一差別的物理原因尚不清楚。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）凝聚態理論與計算重點實驗室的楊義峰研究員與加州大學戴維斯分校的D. Pines教授合作，深入研究了重費米子材料中的反鐵磁量子臨界行為，進一步發展了重費米子的二流體唯象模型，得到了一些有啟發意義的結果。重費米子材料中由于局域自旋晶格與導帶電子的強烈耦合，目前無論是理論還是數值計算都無法很好處理。二流體模型將其唯象地簡化為兩種流體的共存態：一種是被導帶電子部分雜化的自旋晶格，形成雜化自旋液體；一種是由導帶電子與晶格自旋漲落產生的復合重電子，稱為近藤液體，隨溫度演化遵從普適的標度律。這一簡化模型抓住了重費米子物理的本質，系統地解釋了大量先前無法解釋的實驗結果【Yang et al., PRL 100, 096404 (2008)； Nature 454, 611 (2008)； PRL 103, 197004 (2009)； PNAS 109, E3060； E3067 (2012)】。

　　最近他們將此模型推廣到量子臨界現象的研究中，發現重費米子材料在磁場下的行為可以用一個特征參量來表征。以零溫電阻系數A為例，磁場驅動下的量子臨界行為可以表示為，A~TL-α，其中TL是該磁場下電子從局域到巡游的轉變溫度，表征體系偏離量子臨界點的距離，TL=0處為量子臨界點。他們初步分析了CeCoIn5和YbRh2Si2兩種研究較多的材料，發現兩者雖然具有非常不同的量子臨界行為（CeCoIn5中α＝2，而YbRh2Si2中 α=0.8），但其眾多實驗結果如比熱、電阻等都可以在此理論下得到系統解釋，這就意味著二流體模型提供了理解重費米子物理包括量子臨界現象的統一框架。并且與已往理論不同，在他們的模型中，α不但決定了量子臨界漲落區的普適標度行為，也定量解釋了反鐵磁相變等物理量在有限溫度、壓力和磁場下的變化，表明該參量是決定材料磁性行為的關鍵物理參量，并且其量子臨界行為與電子或磁性結構密切相關。因而將此模型應用于更多其他材料，并與其電子或磁性結構進行對比分析，或能澄清這些材料中不同的量子臨界現象和超導行為的物理根源。

　　這一研究得到了中科院和國家自然科學基金委的支持，相關工作已發表于2014年6月的《美國國家科學院院刊》。

圖1. CeCoIn5的相圖，實線為理論曲線：(A) f電子局域－巡游轉變溫度TL隨磁場的變化；(B) 量子臨界點隨壓力和磁場的變化。

圖2. CeCoIn5的量子臨界行為，實線為理論曲線：(A) 零溫電阻系數；(B) 核磁共振自旋－晶格弛豫率。

圖3. YbRh2Si2的相圖，實線為理論曲線：(A) TL和反鐵磁轉變溫度TN隨磁場的變化；(B) 量子臨界點隨壓力和磁場的變化，插圖為TN隨壓力的變化。

圖4. YbRh2Si2的量子臨界行為，實線為理論曲線：(A) 比熱和核磁共振實驗結果；(B) 零溫電阻系數。