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重费米子体系中杂化动力学的理论研究与实验探测获进展

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发表于 2020-03-01 12:15 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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长期以来,对重费米子物理的理解主要基于平均场方法所提供的静态杂化图像。该图像认为f电子在相干温度T*之下会在费米面附近与导带发生杂化,从而形成重电子能带,并产生直接和间接杂化带隙,引起f电子的局域-巡游转变。但是近些年来,有越来越多的实验证据表明,真正理解重费米子的局域-巡游转变物理必须超越平均场理论的简化图像。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX9组研究员杨义峰与合作者一起,对这一问题进行了长期探索,发展了唯象的重费米子二流体理论,并提出以杂化的动力学涨落为基础,重新建立重费米子物理的基本理论图像。2017年,复旦大学封东来研究组测量了重费米子材料CeCoIn5的角分辨光电子能谱(ARPES),发现杂化导致的能带弯折(bending)远在其他实验如电阻测量给出的相干温度T*之上就已经出现,不同于通常平均场图像的预期,导致了理解上的矛盾和困惑。

最近,杨义峰与电子科技大学教授齐静波等人合作,利用超快光谱对CeCoIn5进行了系统研究,发现该体系中实际上存在两个特征温标(图1):T\(\dagger\)和T*。其中高温温标T\(\dagger\)对应ARPES测量中能带弯折开始出现的温度,在T\(\dagger\)之上,超快实验探测到的高能准粒子弛豫率近似不变,在T\(\dagger\)之下开始随温度降低快速下降,表明杂化改变了费米面附近的电子结构,导致直接带隙,抑制了高能准粒子的能量弛豫。而低温温标T*则恰好对应传统电阻测量的相干温度,在T*之下,弛豫率呈现非线性效应,大小依赖于辐照光强,这一现象意味着态密度上出现了窄的能隙(间接带隙),导致了弛豫过程的瓶颈效应(图2)。超快光谱同时探测到了这两个现象,对两种不同带隙具有不同响应,而ARPES只探测到T\(\dagger\)之下的直接带隙,受限于能量分辨率无法看到T*处才出现的小的间接带隙,电阻则在T*之下间接带隙出现时才发生明显变化。

以上结果表明,直接和间接带隙并非如平均场理论预言的那样同时出现,而是随温度降低逐步发展的两阶段过程:杂化效应在高温T\(\dagger\)处开始出现,首先导致费米面附近的能带弯折和直接带隙,进而随温度降低逐步发展,在低温T*处开始发生长程关联,形成间接带隙,此后重电子态才真正建立并受到间接带隙的保护。为了证明这一图像,杨义峰指导博士研究生胡丹青、董建军等,对周期性Anderson模型进行了蒙特卡洛数值模拟(DQMC),仔细分析了杂化关联随温度的演化,发现在平均场所预言的间接带隙打开之前,确实存在一个高温过渡区,具有低能的杂化涨落行为并导致费米面处直接带隙的出现,这一现象是平均场理论所没有的。

以上研究从实验和理论两个方面表明了动态杂化涨落的重要性,从而有必要在杂化动力学的基础上重新理解重费米子物理。但要穿越传统图像的迷障,构建新的重费米子微观理论将仍是一个漫长的过程。相关工作分别发表于Phys. Rev. Lett. 124, 057404 (2020)和Phys. Rev. B100, 195133 (2019),得到了基金委(11974397、11774401、11522435)、科技部(2017YFA0303103、2015CB921303)和中科院青促会的支持。
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