物理所等在重費米子理論研究中取得新進展

發布時間：2012-12-09 10:37 原文鏈接：物理所等在重費米子理論研究中取得新進展

　　11月6日出版的《美國國家科學院院報》（PNAS）以封面標題刊載了中科院物理研究所/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楊義峰研究員與加州大學Davis分校的DavidPines教授和NickCurro教授分別合作完成的關于重費米子研究的兩篇文章，同時發表了英國劍橋大學卡文迪許實驗室GilbertLonzarich教授撰寫的評述［PNAS 109, 18241 (2012)]。

　　重費米子材料是強關聯物理的傳統研究領域，其中周期性排布的4f或5f局域電子與導帶電子雜化，產生了復雜的集體行為和新的量子物態，迄今尚無滿意的理論解釋。最近，楊義峰研究員與合作者一起，發展了唯象的兩流體理論并進行了實驗驗證，提出了新的重費米子物理圖像，為探索重費米子物理的微觀理論提供了新的思路。

　　兩流體模型認為，重費米子體系復雜的多體協作行為可以近似簡化為重整化的局域f自旋液體，和雜化產生的巡游f重電子液體，后者隨溫度變化表現出奇異的對數依賴行為。兩種流體不同特征的疊加導致了各種復雜的實驗現象，阻礙了對重費米子物理的深入認識。借助唯象模型分析能夠有效地分離出兩種流體的貢獻，如磁化率的主要特征源自f自旋液體，反映了體系中雜化的強弱（圖1）；核磁共振Knight移動對磁化率的偏離之前一直被歸結為晶體場效應，新的分析表明這種反常偏離具有不依賴于具體材料的普適性，是巡游f電子奇異行為的表現。[PNAS 109, E3060 (2012)]

　　為了定量表征兩種流體在具體材料中的比例，他們引入了雜化效率（f0）的概念，這一參數反映了f電子隨溫度降低從高溫局域態到低溫巡游態的轉換效率：對足夠強的雜化（f0>1），所有局域f電子都會在有限溫度下轉化為巡游電子，并伴隨著費米面的重構；而在弱雜化下（f0<1），局域f電子一直存在，在重整化的磁交換作用下形成了局域反鐵磁序（相變溫度在一定程度上被抑制）。這一簡單模型給出了與實驗一致的相圖（圖2）和物理結果（圖3），進一步考慮到巡游電子的低溫有序，可以得到非常規超導，超導－反鐵磁共存，隱藏序等更加豐富的物理現象，對CeRhIn5, CeCoIn5, URu2Si2等材料的核磁共振實驗進一步證實了重電子高溫生成和低溫有序之間的這一密切聯系。[PNAS 109, E3067 (2012)]

　　此工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院相關項目的資助。

　　圖1：磁化率的理論和實驗對比。其中CeRhIn5是反鐵磁材料（f0<1），CeCoIn5位于量子臨界點附近為d波超導（f0~1），URu2Si2是比較巡游的5f電子體系基態為“隱藏序”（f0>1)。磁化率的實驗特征與理論預言一致。

　　圖2：依據兩流體模型提出的新相圖。高溫下f電子完全局域，中間溫區表現為兩流體行為，低溫下隨f0或壓強變化形成局域反鐵磁態（相變溫度TN被抑制）或費米液體態（伴隨有限溫度TL下的費米面重構），在量子臨界點附近，巡游f電子態不穩定而形成超導或其他有序態。

　　圖3：幾種材料中比熱系數的理論和實驗對比。