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物理所等在重费米子理论研究中取得新进展
11月6日出版的《美国国家科学院院报》（PNAS）以封面标题刊载了中科院物理研究所/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杨义峰研究员与加州大学Davis分校的DavidPines教授和NickCurro教授分别合作完成的关于重费米子研究的两篇文章，同时发表了英国剑桥大学卡文迪许实验室GilbertLonzarich教授撰写的评述［PNAS 109, 18241 (2012)]。
重费米子材料是强关联物理的传统研究领域，其中周期性排布的4f或5f局域电子与导带电子杂化，产生了复杂的集体行为和新的量子物态，迄今尚无满意的理论解释。最近，杨义峰研究员与合作者一起，发展了唯象的两流体理论并进行了实验验证，提出了新的重费米子物理图像，为探索重费米子物理的微观理论提供了新的思路。
两流体模型认为，重费米子体系复杂的多体协作行为可以近似简化为重整化的局域f自旋液体，和杂化产生的巡游f重电子液体，后者随温度变化表现出奇异的对数依赖行为。两种流体不同特征的叠加导致了各种复杂的实验现象，阻碍了对重费米子物理的深入认识。借助唯象模型分析能够有效地分离出两种流体的贡献，如磁化率的主要特征源自f自旋液体，反映了体系中杂化的强弱（图1）；核磁共振Knight移动对磁化率的偏离之前一直被归结为晶体场效应，新的分析表明这种反常偏离具有不依赖于具体材料的普适性，是巡游f电子奇异行为的表现。[PNAS 109, E3060 (2012)]
为了定量表征两种流体在具体材料中的比例，他们引入了杂化效率（f0）的概念，这一参数反映了f电子随温度降低从高温局域态到低温巡游态的转换效率：对足够强的杂化（f0>1），所有局域f电子都会在有限温度下转化为巡游电子，并伴随着费米面的重构；而在弱杂化下（f0<1），局域f电子一直存在，在重整化的磁交换作用下形成了局域反铁磁序（相变温度在一定程度上被抑制）。这一简单模型给出了与实验一致的相图（图2）和物理结果（图3），进一步考虑到巡游电子的低温有序，可以得到非常规超导，超导－反铁磁共存，隐藏序等更加丰富的物理现象，对CeRhIn5, CeCoIn5, URu2Si2等材料的核磁共振实验进一步证实了重电子高温生成和低温有序之间的这一密切联系。[PNAS 109, E3067 (2012)]
此工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院相关项目的资助。
图1：磁化率的理论和实验对比。其中CeRhIn5是反铁磁材料（f0<1），CeCoIn5位于量子临界点附近为d波超导（f0~1），URu2Si2是比较巡游的5f电子体系基态为“隐藏序”（f0>1)。磁化率的实验特征与理论预言一致。
图2：依据两流体模型提出的新相图。高温下f电子完全局域，中间温区表现为两流体行为，低温下随f0或压强变化形成局域反铁磁态（相变温度TN被抑制）或费米液体态（伴随有限温度TL下的费米面重构），在量子临界点附近，巡游f电子态不稳定而形成超导或其他有序态。
图3：几种材料中比热系数的理论和实验对比。
