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          浙大團隊再添一篇《自然》!發現一類新的量子臨界現象

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            說到量子,很多人腦海中第一印象就是“薛定諤的貓”。實際上,量子的主要表現形式——量子糾纏和量子隧穿存在於不同的物理體系中,而量子材料就是其中的一類重要載體。量子材料中的電子關聯和量子效應可以誘導新型電子集體行為,產生新穎的量子態或者宏觀量子現象,而實現對量子態的調控與操縱是現代量子信息產業技術的基礎。那麼,在絕對零度時量子態是否會發生相變?量子糾纏會導致哪些新穎的量子行為?

            浙江大學關聯物質研究中心和物理學系袁輝球教授團隊一直深耕這一領域的研究。他帶領團隊首次在純凈的重費米子化合物中發現鐵磁量子臨界點,並且觀察到奇異金屬行為。這一發現打破瞭人們普遍認為鐵磁量子臨界點不存在的傳統觀念,並且將奇異金屬行為拓展到鐵磁量子臨界材料中。

            這項研究於北京時間3月5日在國際頂級雜志《自然》在線發表。浙江大學物理學系博士生沈斌和張勇軍為論文共同第一作者,浙江大學關聯物質研究中心/物理學系袁輝球教授、校百人計劃研究員Michael Smidman博士以及羅格斯大學/倫敦大學的Piers Coleman教授為共同通訊作者。袁輝球教授為該項目的負責人,設計並領導瞭整個項目。

            絕對零度下的相變

            自然界中存在各種各樣的物質,絕大多數都以固、液、氣三種形態存在。人們通常稱物質體系中具有相同的物理和化學性質的均勻聚集體為一種相。隨著外界條件的改變,如溫度或者壓強的變化,物質的狀態可以從一種相轉變為另一種相,這個過程稱為相變。例如,水加熱變成水蒸氣,或者降溫結成冰,這些都是相變。

            在經典的物理體系中,相變的產生往往由熱漲落所驅動,可以由普適的理論來描述。那麼,在熱力學絕對零度(0開爾文,約等於零下273.15攝氏度),熱漲落已經被完全抑制,量子物質是否還會發生相變?

            雖然絕對零度不可實現,為何科研人員仍執著於低溫極限下的物理研究呢?隨著溫度降低,組成物質的原子或者分子的熱運動被逐漸凍結,量子漲落效應開始占主導作用,從而誘導一些全新的量子態或者量子臨界現象,例如零電阻的超導就是一種宏觀量子現象。在外加非溫度參量的調控下,如果物質體系在零溫時經歷一個連續的二級相變,從一種量子有序態轉變為量子無序態,則存在一個量子臨界點。當今凝聚態物理中的許多重要科學問題,如高溫超導及奇異金屬行為等都可能與量子臨界性相關。


            量子相變示意圖

            磁性量子相變是研究最為廣泛的一類量子相變。鐵磁體與反鐵磁體就像一對性格迥異的雙胞胎,是研究得最多的磁性材料。在鐵磁體中,電子的自旋朝同一方向有序排列,比如都向上或者都向下,因此磁性較強,最常見的鐵在室溫常壓下就是一種鐵磁體,而在反鐵磁體中,電子的自旋是反向交替排列的,導致凈磁矩為零。

            隨著溫度升高,磁性材料通常會在某一溫度發生磁性相變,其電子自旋經歷有序--無序轉變,從而導致材料失去磁性。這類磁性相變仍屬於經典相變,有較好的理論描述。那麼,在外加非溫度參量的調控下,磁性相變是否可以被逐漸抑制而出現量子相變?鐵磁材料是否和反鐵磁材料一樣,存在量子臨界點?量子相變是否跟經典相變一樣具有普適性?磁性量子臨界點附近有哪些新奇的量子現象?

            發現鐵磁量子臨界點及奇異金屬行為

            人們發現,反鐵磁量子臨界點廣泛存在於重費米子體系、鐵基超導體以及有機超導體等強關聯電子體系中。在磁場、壓力或摻雜等參量的調控下,這些材料中的反鐵磁轉變溫度可以被逐漸抑制到零溫,並且在反鐵磁臨界點附近出現超導和奇異金屬行為。

            在普通金屬中,電子間的庫倫排斥力較弱,其低溫物理現象可以通過朗道(諾貝爾物理獎獲得者)提出的費米液體理論來描述,如低溫電阻與溫度的平方成正比,電子比熱除以溫度是一個常數。然而,在銅基高溫超導體和部分反鐵磁重費米子材料中,人們卻發現其電阻與溫度成線性關系,比熱系數在零溫極限表現出發散行為。有觀點認為,這些奇異金屬行為與反鐵磁量子臨界點附近自旋的量子糾纏有關。

            當然,人們對於鐵磁材料是否存在量子臨界點持有同樣的好奇。但是到目前為止,人們尚未找到其存在的確鑿證據。對於巡遊鐵磁材料而言,國際上的理論與實驗研究普遍認為鐵磁量子臨界點不存在:在外界參量調控下,鐵磁相變要麼突然消失,要麼轉變為反鐵磁序等。唯有在無序效應的作用下,鐵磁量子臨界點才有可能出現,但這是非本征的。另一方面,在簡單鐵磁體系中,由於自旋取向單一,不能形成量子糾纏態,因此有人認為鐵磁體中不會出現奇異金屬行為。

            研究至此似乎可以劃上句號瞭。但浙大袁輝球團隊不願意放過任何一種可能性。從之前多年的研究經驗出發,袁輝球認為鐵磁還是有可能存在量子臨界點的,但是怎麼證明呢?在仔細分析瞭同行們的研究過程後,研究人員決定從合適的材料體系入手。

          CeRh6Ge4的晶體結構及鐵磁性質

            經過近10年的摸索,袁輝球團隊在嘗試瞭多種材料體系後,最近在重費米子材料CeRh6Ge4中取得重大突破。他們通過不斷優化樣品制備條件,合成瞭高質量的單晶樣品,再通過壓力的調控,發現該體系中存在鐵磁量子臨界點!這是首次在一個純凈的鐵磁材料體系中發現量子臨界點存在的確鑿實驗證據,並且觀察到瞭與高溫超導體相似的奇異金屬行為:當溫度趨於零度時,低溫電阻隨溫度線性變化,比熱系數隨溫度對數發散。這些實驗發現為研究鐵磁量子相變,揭示長期困惑人們的奇異金屬行為開辟瞭新的方向。

            CeRh6Ge4:壓力-溫度相圖

            能否觀察到鐵磁量子臨界點,袁輝球認為有兩個關鍵的因素。首先是選對合適的材料體系,即具有各向異性的鐵磁材料,並且f電子帶有局域磁矩,這樣在鐵磁態中允許自旋糾纏態的出現。其次是制備出瞭高純度的單晶樣品並且通過壓力這一純凈的實驗手段進行調控。如果樣品或者調控手段不“幹凈”,則很難說明這是材料的本征屬性,這也是該研究有別於先前工作的一個重要方面。

            浙大團隊在形容他們制備的重費米子材料時說,“通俗地講,完美晶體中的原子是周期性排列的,沒有錯位,沒有雜質,但實際材料往往有各種各樣的無序效應影響材料的性質。而在我們制備的CeRh6Ge4材料中,這些無序效應的影響很小,並且壓力調控不額外引入無序效應,整個實驗過程樣品近乎完美,相當幹凈”。

            一種可能的物理圖像

            袁輝球教授與美國羅格斯大學的 Piers Coleman教授合作,提出瞭一種可能的鐵磁量子相變模型。他們認為,由於磁的各向異性,在鐵磁態中註入瞭一種具有量子糾纏效應的自旋對,即自旋三重態共振價鍵(triplet resonating valence-bond (tRVB)),其占比隨壓力增加而增加。在鐵磁量子臨界點,由於近藤效應的作用,與 tRVB 態相關的局域磁矩被分數化而形成帶負電的重電子和帶正電的近藤單態背景,導致費米面突然增大和奇異金屬行為。

          鐵磁量子相變的一種可能物理圖像

            該理論支持鐵磁量子臨界點的存在,預言在量子臨界點出現費米面突變,並且可以合理解釋實驗上觀察到的比熱系數對數發散的奇異金屬行為。理論上,鐵磁量子臨界區域的tRVB態還有助於自旋三重態超導配對。不過,該理論仍有待進一步的探究和驗證。

            十年磨一劍,基礎研究甘願坐冷板凳

            袁輝球表示,此項工作不僅為量子相變研究開辟瞭一個新的方向,並且將銅基高溫超導和反鐵磁重費米子材料中觀察到的奇異金屬行為延伸到瞭鐵磁體系。由於超導與量子相變常常有著非常緊密的關系,鐵磁量子臨界點的發現也可以促進相關超導的研究。

            這是袁輝球加盟浙大後在《自然》上發表的第2篇論文。此前他還曾在《科學》《自然》等期刊上發文,報道其在反鐵磁量子相變、重費米子超導等方面取得的系列創新研究成果。

            談及該項研究的經歷時,袁輝球表示,尋找合適的材料體系、制備出高品質單晶樣品、在極端條件下開展物性測量都非常具有挑戰性,項目研究不但周期長,而且費用高。在重重困難面前,袁輝球帶領團隊沒有退縮,他們咬定研究目標,十年磨一劍,終於在鐵磁材料中發現瞭這一重要現象。三名審稿人高度評價瞭這一成果,指出在純凈的重費米子材料中觀察到鐵磁量子臨界點和奇異金屬行為,這毫無疑問是一項重要的實驗發現,為研究量子相變開辟瞭一個新的方向,有助於揭示奇異金屬行為的共同起源。

            在采訪中,袁輝球說,重費米子體系具有豐富的物理內涵,表現出奇特的量子現象,是研究演生量子態和量子相變的理想材料體系。重費米子研究對材料和實驗條件要求苛刻,但也會不時給學界帶來驚喜。據瞭解,袁輝球目前正承擔國傢重點研發項目“重費米子體系中的演生量子態及其調控”的研究,該項目整合瞭國內重費米子研究的主要力量,提升瞭我國重費米子研究的國際影響力。

            科學研究唯有敢於挑戰,堅持做自己的事,才能實現突破並引領一個研究領域。袁輝球說:“我常常鼓勵團隊成員要能靜下心來,坐坐冷板凳,不要被科研領域的‘時髦風’刮著跑,要堅持做自己看準的科學問題”。

            該項工作的參與單位包括浙江大學關聯物質研究中心和物理學系、美國羅格斯大學物理與天文系、德國馬普固體化學物理研究所和英國倫敦大學(Royal Holloway)物理系。項目獲得瞭國傢重點研發計劃,國傢自然科學基金委和科學挑戰計劃的資助。

            論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2052-z