常見相變是那些作為溫度變化的函數(shù)而發(fā)生的相變，例如冰在0攝氏度時開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水，液態(tài)水在100攝氏度時轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?。同樣，磁性材料在臨界溫度下變得非磁性，然而也有不依賴于溫度的相變，它們發(fā)生在絕對零度（-273.15攝氏度）附近，并與量子漲落有關(guān)。

一項(xiàng)研究涉及極端條件下的實(shí)驗(yàn)，特別是超低溫和強(qiáng)磁場，并伴隨著對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論解釋，探索了這種類型的情況，并研究了在極不尋常的轉(zhuǎn)變中表現(xiàn)出量子臨界點(diǎn)。

意大利研究員瓦倫蒂娜·馬爾泰利(Valentina Martelli)和秘魯教授胡里奧·拉雷拉(Julio Larrea)都是巴西圣保羅大學(xué)物理研究所(IF-USP)的教授都參與了這項(xiàng)研究，其研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。實(shí)驗(yàn)部分由Silke Paschen教授領(lǐng)導(dǎo)，在奧地利維也納科技大學(xué)(TUW)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。這項(xiàng)理論工作是由美國萊斯大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授斯奇妙領(lǐng)導(dǎo)的一個小組完成。研究發(fā)現(xiàn)并解釋了與近藤效應(yīng)雙重?fù)舸┫嚓P(guān)兩個連續(xù)量子臨界點(diǎn)的證據(jù)。

近藤效應(yīng)以日本物理學(xué)家近藤俊(1930年出生)命名，解釋了以稀土元素為基礎(chǔ)的金屬化合物中重費(fèi)米子的形成。在這些化合物中，電子由于它們的強(qiáng)相關(guān)性而集體行為，形成單重態(tài)(表現(xiàn)為單個粒子的不同粒子集合)，這可以表示為稀土離子的局域磁矩與其周圍傳導(dǎo)電子的耦合，這種準(zhǔn)粒子的質(zhì)量可以達(dá)到自由電子質(zhì)量的數(shù)千倍。在這里描述的研究中，單重態(tài)在兩個磁序中被打破了兩次：一個偶極，由準(zhǔn)粒子的磁矩產(chǎn)生，另一個四極，由其電子軌道之間的相互作用產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)用重費(fèi)米子Ce3Pd20Si6進(jìn)行，它是鈰(Ce)，鈀(Pd)和硅(Si)的化合物。Larrea將在圣保羅研究基金會的支持下，通過“極端條件下拓?fù)浜推娈惲孔討B(tài)的研究”項(xiàng)目繼續(xù)研究。這些轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)是電子和某些材料之間的強(qiáng)相關(guān)性，這使我們能夠理解這種狀態(tài)變化。各種集體相互作用可以影響電子，一種可能的狀態(tài)是通常所說的“奇怪的金屬”。在重費(fèi)米子中，電子傳輸類似于普通金屬的電子傳輸，但電子是強(qiáng)相關(guān)的，集體行為就好像它們形成了一個單一的準(zhǔn)粒子來傳輸電荷。

這不是在量子相變中發(fā)生的，所以這種狀態(tài)被稱為“奇怪”。在實(shí)驗(yàn)中觀察到的是，電阻等物理性質(zhì)的表現(xiàn)與金屬中的經(jīng)典電子傳輸有很大不同。這種現(xiàn)象發(fā)生在極低的溫度下，非常接近絕對零度，當(dāng)溫度降到這么低時，熱力學(xué)漲落幾乎消失了，而量子漲落被觀察到，構(gòu)成了電子之間發(fā)生相互作用的“介質(zhì)”。在研究發(fā)表之前，大多數(shù)此類實(shí)驗(yàn)都集中在電子相關(guān)性導(dǎo)致所謂的同時巡回和局域電子磁性材料上。這些材料屬于稀土類，包括重費(fèi)米子：“費(fèi)米子”是因?yàn)殡娮泳哂蟹中巫孕⒎馁M(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)；

“重”是因?yàn)樗鼈兣c具有大有效質(zhì)量的準(zhǔn)粒子相關(guān)。這些材料也有磁矩，所以除了帶電荷的準(zhǔn)粒子外，還與具有被傳導(dǎo)電子屏蔽或磁矩屏蔽的準(zhǔn)粒子有關(guān)。每個磁矩屏蔽可以耦合到晶格中的相鄰磁矩，在整個材料中產(chǎn)生磁序。在Ce3Pd20Si6的情況下，這個順序是反鐵磁性的，這意味著晶格中的磁矩以反平行方式耦合。在量子臨界點(diǎn)，這種磁序可以在不受熱力學(xué)控制參數(shù)影響的情況下通過施加磁場來抑制,近藤單線態(tài)分解，耦合到這個磁性秩序的電子簡單地分離。

這與量子力學(xué)的基本原理并不矛盾，但它與基礎(chǔ)物理教科書中描述的非常不同。因?yàn)榇啪厥窍鄬τ谧孕x的，所以對磁序的抑制產(chǎn)生了一種電子似乎缺少自旋的情況。這個基于磁序的量子臨界點(diǎn)之前已經(jīng)在其他研究中發(fā)表過。本研究情況的不同之處在于，除了偶極磁序之外，材料還表現(xiàn)出由電子軌道產(chǎn)生的四極磁序。相圖幾乎是研究的圖形總結(jié)，因此顯示了兩個量子臨界點(diǎn)：一個是偶極序被破壞的，另一個是四極序被打破的。

除了這一發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果也很重要，因?yàn)橛兄诶斫馄渌形唇鉀Q的問題，例如電子是如何集體組織來產(chǎn)生超導(dǎo)的。某些電子之間具有強(qiáng)相關(guān)性的材料可以提供這一點(diǎn)，即使在與絕對零度不同的溫度下，這些強(qiáng)相關(guān)性也可以被抑制，以有利于形成具有可測量物理性質(zhì)的新態(tài)。下一步研究將是使用一種不同的控制參數(shù)（壓力）來擴(kuò)展對電子相關(guān)性變化的研究，以便將來可以在量子計(jì)算等領(lǐng)域利用這些知識進(jìn)行技術(shù)上的應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：FAPESP

參考期刊《美國國家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1908101116

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