【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】長期以來，對重費米子物理的理解主要基于平均場方法所提供的靜態(tài)雜化圖像。該圖像認(rèn)為f電子在相干溫度T*之下會在費米面附近與導(dǎo)帶發(fā)生雜化，從而形成重電子能帶，并產(chǎn)生直接和間接雜化帶隙，引起f電子的局域-巡游轉(zhuǎn)變。
在一組由全同粒子組成的體系中，如果在體系的一個量子態(tài)(即由一套量子數(shù)所確定的微觀狀態(tài))上只容許容納一個粒子，這種粒子稱為費米子 。或者說自旋為半奇數(shù)(1/2，3/2…)的粒子統(tǒng)稱為費米子，服從費米-狄拉克統(tǒng)計。費米子滿足泡利不相容原理，即不能兩個以上的費米子出現(xiàn)在相同的量子態(tài)中。 輕子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是費米子。自旋為3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是費米子。中子、質(zhì)子都是由三種夸克組成，自旋為1/2。奇數(shù)個核子組成的原子核。因為中子、質(zhì)子都是費米子，故奇數(shù)個核子組成的原子核自旋是半整數(shù)。
但是近些年來，有越來越多的實驗證據(jù)表明，真正理解重費米子的局域-巡游轉(zhuǎn)變物理必須超越平均場理論的簡化圖像。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心EX9組研究員楊義峰與合作者一起，對這一問題進行了長期探索，發(fā)展了唯象的重費米子二流體理論，并提出以雜化的動力學(xué)漲落為基礎(chǔ)，重新建立重費米子物理的基本理論圖像。2017年，復(fù)旦大學(xué)封東來研究組測量了重費米子材料CeCoIn5的角分辨光電子能譜(ARPES)，發(fā)現(xiàn)雜化導(dǎo)致的能帶彎折(bending)遠在其他實驗如電阻測量給出的相干溫度T*之上就已經(jīng)出現(xiàn)，不同于通常平均場圖像的預(yù)期，導(dǎo)致了理解上的矛盾和困惑。
近，楊義峰與電子科技大學(xué)教授齊靜波等人合作，利用超快光譜對CeCoIn5進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)該體系中實際上存在兩個特征溫標(biāo)：T\(\dagger\)和T*。其中高溫溫標(biāo)T\(\dagger\)對應(yīng)ARPES測量中能帶彎折開始出現(xiàn)的溫度，在T\(\dagger\)之上，超快實驗探測到的高能準(zhǔn)粒子弛豫率近似不變，在T\(\dagger\)之下開始隨溫度降低快速下降，表明雜化改變了費米面附近的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致直接帶隙，抑制了高能準(zhǔn)粒子的能量弛豫。而低溫溫標(biāo)T*則恰好對應(yīng)傳統(tǒng)電阻測量的相干溫度，在T*之下，弛豫率呈現(xiàn)非線性效應(yīng)，大小依賴于輻照光強，這一現(xiàn)象意味著態(tài)密度上出現(xiàn)了窄的能隙(間接帶隙)，導(dǎo)致了弛豫過程的瓶頸效應(yīng)。超快光譜同時探測到了這兩個現(xiàn)象，對兩種不同帶隙具有不同響應(yīng)，而ARPES只探測到T\(\dagger\)之下的直接帶隙，受限于能量分辨率無法看到T*處才出現(xiàn)的小的間接帶隙，電阻則在T*之下間接帶隙出現(xiàn)時才發(fā)生明顯變化。
以上結(jié)果表明，直接和間接帶隙并非如平均場理論預(yù)言的那樣同時出現(xiàn)，而是隨溫度降低逐步發(fā)展的兩階段過程：雜化效應(yīng)在高溫T\(\dagger\)處開始出現(xiàn)，首先導(dǎo)致費米面附近的能帶彎折和直接帶隙，進而隨溫度降低逐步發(fā)展，在低溫T*處開始發(fā)生長程關(guān)聯(lián)，形成間接帶隙，此后重電子態(tài)才真正建立并受到間接帶隙的保護。為了證明這一圖像，楊義峰指導(dǎo)博士研究生胡丹青、董建軍等，對周期性Anderson模型進行了蒙特卡洛數(shù)值模擬(DQMC)，仔細(xì)分析了雜化關(guān)聯(lián)隨溫度的演化，發(fā)現(xiàn)在平均場所預(yù)言的間接帶隙打開之前，確實存在一個高溫過渡區(qū)，具有低能的雜化漲落行為并導(dǎo)致費米面處直接帶隙的出現(xiàn)，這一現(xiàn)象是平均場理論所沒有的。
蒙特卡羅法也稱統(tǒng)計模擬法、統(tǒng)計試驗法。是把概率現(xiàn)象作為研究對象的數(shù)值模擬方法。是按抽樣調(diào)查法求取統(tǒng)計值來推定未知特性量的計算方法。蒙特卡羅是摩納哥的著名賭城，該法為表明其隨機抽樣的本質(zhì)而命名。故適用于對離散系統(tǒng)進行計算仿真試驗。在計算仿真中，通過構(gòu)造一個和系統(tǒng)性能相近似的概率模型，并在數(shù)字計算機上進行隨機試驗，可以模擬系統(tǒng)的隨機特性。
以上研究從實驗和理論兩個方面表明了動態(tài)雜化漲落的重要性，從而有必要在雜化動力學(xué)的基礎(chǔ)上重新理解重費米子物理。但要穿越傳統(tǒng)圖像的迷障，構(gòu)建新的重費米子微觀理論將仍是一個漫長的過程。
資料來源：物理研究所、百科
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