物理所合作在重费米子材料量子临界现象研究中获进展

分析测试百科网 > 行业资讯 > 项目成果

物理所合作在重费米子材料量子临界现象研究中获进展

2014.7.11

　　超导的出现与材料中的结构、磁或价态的不稳定性密切相关。在这些不稳定性所导致的相变点附近存在强烈的热或量子涨落，会引起电子配对产生超导。在强关联材料中，非常规超导往往出现在零温反铁磁相变（量子临界点）附近，表明非常规超导依存于磁性量子涨落。实验上对反铁磁母体加压／磁场或化学掺杂，往往可以在磁性相变点附近得到超导。但是并非所有反铁磁体都可以通过这种方式成为超导。在重费米子材料中，许多Ce基材料如CeRhIn5，CePt2In7在高压下确实出现了超导，而几乎所有Yb基材料如YbRh2Si2在磁性量子临界点附近却都没有发现超导，导致这一差别的物理原因尚不清楚。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）凝聚态理论与计算重点实验室的杨义峰研究员与加州大学戴维斯分校的D. Pines教授合作，深入研究了重费米子材料中的反铁磁量子临界行为，进一步发展了重费米子的二流体唯象模型，得到了一些有启发意义的结果。重费米子材料中由于局域自旋晶格与导带电子的强烈耦合，目前无论是理论还是数值计算都无法很好处理。二流体模型将其唯象地简化为两种流体的共存态：一种是被导带电子部分杂化的自旋晶格，形成杂化自旋液体；一种是由导带电子与晶格自旋涨落产生的复合重电子，称为近藤液体，随温度演化遵从普适的标度律。这一简化模型抓住了重费米子物理的本质，系统地解释了大量先前无法解释的实验结果【Yang et al., PRL 100, 096404 (2008)； Nature 454, 611 (2008)； PRL 103, 197004 (2009)； PNAS 109, E3060； E3067 (2012)】。

　　最近他们将此模型推广到量子临界现象的研究中，发现重费米子材料在磁场下的行为可以用一个特征参量来表征。以零温电阻系数A为例，磁场驱动下的量子临界行为可以表示为，A~TL-α，其中TL是该磁场下电子从局域到巡游的转变温度，表征体系偏离量子临界点的距离，TL=0处为量子临界点。他们初步分析了CeCoIn5和YbRh2Si2两种研究较多的材料，发现两者虽然具有非常不同的量子临界行为（CeCoIn5中α＝2，而YbRh2Si2中 α=0.8），但其众多实验结果如比热、电阻等都可以在此理论下得到系统解释，这就意味着二流体模型提供了理解重费米子物理包括量子临界现象的统一框架。并且与已往理论不同，在他们的模型中，α不但决定了量子临界涨落区的普适标度行为，也定量解释了反铁磁相变等物理量在有限温度、压力和磁场下的变化，表明该参量是决定材料磁性行为的关键物理参量，并且其量子临界行为与电子或磁性结构密切相关。因而将此模型应用于更多其他材料，并与其电子或磁性结构进行对比分析，或能澄清这些材料中不同的量子临界现象和超导行为的物理根源。

　　这一研究得到了中科院和国家自然科学基金委的支持，相关工作已发表于2014年6月的《美国国家科学院院刊》。