科研团队解开「怪金属」之谜

目前,人们对于金属行为的认识都来自朗道的费米液体理论,此理论也是凝聚态物理学、材料科学和金属材料在工程和工业应用中的基石。然而,此理论建于20 世纪上半叶,而不少在下半叶时被发现的金属,都出现一些不能以费米液体理论解释的特质,这些「奇怪」的金属被归类为非费米液体,是物理学家一直未能解开的疑团。

由香港大学(港大)物理学系副教授孟子杨、美国明尼苏达大学Avraham KLEIN博士与Andrey CHUBUKOV教授、美国密歇根大学孙锴副教授、加州大学圣地亚哥分校许霄琰博士组成的国际研究团队,通过大规模量子多体运算及分析计算,分析出非费米液体的金属属性,初步解开了这个困扰物理学界多年的难题,为进一步的研究铺路。研究结果已于国际权威学术期刊《量子材料》( Npj Quantum Materials )发表。研究获得香港特别行政区研究资助局、科技部重点研发计划等机构资助。

科研团队解开「怪金属」之谜

神秘的奇怪金属
费米液体理论成功描述了大多数简单金属,例如金、银、铜、铁等在低温下的行为。例如当温度改变时,金属的电阻、比热容量等等性质,均与温度T符合简单的代数关系,比如电阻和温度呈平方正比关系(ρ~T 2),而比热容量和温度呈正比关系( C~T )等等。此外,费米液体理论下的简单金属中,电子被重整化之后,它们之间没有相互作用,满足相同的活动规律。

然而,在20 世纪后下半叶被发现的许多金属,都出现超越费米液体理论的奇怪特质,这些金属被称为非费米液体。例如一些重费米子材料与高温超级导体,如铜基和铁基超导体,还有许多过渡金属氧化物的合金,都是非费米液体的典型代表。跟简单金属的费米液体行为不同,它们的电阻并非跟温度平方成正比,而是与温度次方成正比。它们的电阻随温度在金属区线性下降(而不是如费米液体中的温度平方下降),然后到达超导转变温度时,电阻降为零。此外,在非费米液体理论下,电子间会发生强烈的量子多体相互作用。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

非费米液体的潜在应用
物理学家现时对于非费米液体仍然没有头绪,因而对于掌握这类金属和它们的工业应用还有相当的困难。但是非费米液体的高导电特质可解决能源短缺的问题,因此掌握它们的特性,对人类的福祉有极大的影响。

目前,所谓的高温超导材料,其实仍是在零下100度左右时才能发挥超导电性;它们被称为「高温」,主要因为普通费米液体超导材料必须要在零下200度左右才能发挥出超导电性。因此,现时所谓的高温超导材料,事实上只能在低温下才得以发挥,如要把超导电性的优越性质运用到电力传输、工业生产和日常生活中,科学家们必须掌握高温超导材料的非费米液体的成因,使其高导电性的特质可在室温发挥,方能广泛应用。

对于非费米液体的研究,在理论上的努力已经进行多年。但是由于相关问题的误差无法估计,人们不能获得确定性的结果。近年,凝聚态物理学量子多体问题研究中,涌现出一个新的潮流,那就是运用没有误差或者只有可控误差的量子多体的数值计算,超越解析推导,取得一锤定音的结果,推动领域前进。

许霄琰博士、孟子杨副教授在与孙锴副教授、Chubukov 教授等人的讨论中获得启发,设计出了如图1(a) 中所示的铁磁量子金属模型,然后运用大规模量子蒙特卡洛模拟的计算方法,严格计算了该模型的相图和非费米液体区域的范围(图1(b))。接下来,研究团队的成员通过观察如图2 (b) 所示的计算所得的系统自能的数据(自能(self-energy) 是量子多体系统中相互作用效果的体现),突破性地意识到,在之前的数值计算中未能明确地看到非费米液体的自能行为,原是因为没有扣除在计算中所引入的温度涨落,令计算结果造成误差。

研究团队成员(Avraham Klein 博士、Andrey Chubukov教授及孙锴副教授)通过解析计算推导出涨落部分的贡献形式,然后许霄琰博士、孟子杨副教授在扣除了热涨落的贡献之后,惊喜地发现了剩余的自能展现出非费米液体预期的行为,如图2 (c) 中的黑色虚线和伴随着它的数据,在接近零温的地方具有2/3 幂律的渐进行为。也就是说,其实在蒙特卡洛计算中可以清楚地在量子临界区中看到非费米液体的自能,关键在于如何正确地设计模型和分析数据。这样的认识,让研究团队的成员们都兴奋异常,并为解决了一个困扰领域多年的难题而欣喜。

「现在看来,对于铁磁量子临界点上的非费米液体自能的研究,即通过扣除有限温度自能的贡献,明确地揭示非费米液体的自能和其分数化幂律的渐进行为,似乎是普适的;我们最近在一个完全不同的模型研究中,也发现了类似的自能行为。」孟子杨博士说。

孟博士和合作伙伴都认为,这次的成功只是一个开始。接下来通过模型设计和量子蒙特卡洛计算,在其他的量子临界涨落模型中,如反铁磁、电荷密度波、规范场涨落等等,都可以进行这样的分析,逐步建立起如费米液体一般的非费米液体理论框架,最终解决高温超导现象、重费米子现像等等物质科学的基本问题。「对于非费米液体这样的难题,我们将一路追寻下去,下一个快然自足的片刻,也许明天就会到来。」

论文:https://www.nature.com/articles/s41535-020-00266-6

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