【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)重費(fèi)米子物理的理解主要基于平均場(chǎng)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(huì)在費(fèi)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(gè)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(gè)粒子，這種粒子稱為費(fèi)米子 。或者說(shuō)自旋為半奇數(shù)(1/2，3/2…)的粒子統(tǒng)稱為費(fèi)米子，服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。費(fèi)米子滿足泡利不相容原理，即不能兩個(gè)以上的費(fèi)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(fèi)米子。自旋為3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是費(fèi)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(gè)核子組成的原子核。因?yàn)橹凶印①|(zhì)子都是費(fèi)米子，故奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核自旋是半整數(shù)。
但是近些年來(lái)，有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，真正理解重費(fèi)米子的局域-巡游轉(zhuǎn)變物理必須超越平均場(chǎng)理論的簡(jiǎn)化圖像。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心EX9組研究員楊義峰與合作者一起，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，發(fā)展了唯象的重費(fèi)米子二流體理論，并提出以雜化的動(dòng)力學(xué)漲落為基礎(chǔ)，重新建立重費(fèi)米子物理的基本理論圖像。2017年，復(fù)旦大學(xué)封東來(lái)研究組測(cè)量了重費(fèi)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(yuǎn)在其他實(shí)驗(yàn)如電阻測(cè)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(chǎng)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(duì)CeCoIn5進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)該體系中實(shí)際上存在兩個(gè)特征溫標(biāo)：T\(\dagger\)和T*。其中高溫溫標(biāo)T\(\dagger\)對(duì)應(yīng)ARPES測(cè)量中能帶彎折開(kāi)始出現(xiàn)的溫度，在T\(\dagger\)之上，超快實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的高能準(zhǔn)粒子弛豫率近似不變，在T\(\dagger\)之下開(kāi)始隨溫度降低快速下降，表明雜化改變了費(fèi)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(duì)應(yīng)傳統(tǒng)電阻測(cè)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(qiáng)，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(guò)程的瓶頸效應(yīng)。超快光譜同時(shí)探測(cè)到了這兩個(gè)現(xiàn)象，對(duì)兩種不同帶隙具有不同響應(yīng)，而ARPES只探測(cè)到T\(\dagger\)之下的直接帶隙，受限于能量分辨率無(wú)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(shí)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(chǎng)理論預(yù)言的那樣同時(shí)出現(xiàn)，而是隨溫度降低逐步發(fā)展的兩階段過(guò)程：雜化效應(yīng)在高溫T\(\dagger\)處開(kāi)始出現(xiàn)，首先導(dǎo)致費(fèi)米面附近的能帶彎折和直接帶隙，進(jìn)而隨溫度降低逐步發(fā)展，在低溫T*處開(kāi)始發(fā)生長(zhǎng)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(hù)。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(duì)周期性Anderson模型進(jìn)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(chǎng)所預(yù)言的間接帶隙打開(kāi)之前，確實(shí)存在一個(gè)高溫過(guò)渡區(qū)，具有低能的雜化漲落行為并導(dǎo)致費(fèi)米面處直接帶隙的出現(xiàn)，這一現(xiàn)象是平均場(chǎng)理論所沒(méi)有的。
蒙特卡羅法也稱統(tǒng)計(jì)模擬法、統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法。是把概率現(xiàn)象作為研究對(duì)象的數(shù)值模擬方法。是按抽樣調(diào)查法求取統(tǒng)計(jì)值來(lái)推定未知特性量的計(jì)算方法。蒙特卡羅是摩納哥的著名賭城，該法為表明其隨機(jī)抽樣的本質(zhì)而命名。故適用于對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算仿真試驗(yàn)。在計(jì)算仿真中，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)和系統(tǒng)性能相近似的概率模型，并在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，可以模擬系統(tǒng)的隨機(jī)特性。
以上研究從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面表明了動(dòng)態(tài)雜化漲落的重要性，從而有必要在雜化動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上重新理解重費(fèi)米子物理。但要穿越傳統(tǒng)圖像的迷障，構(gòu)建新的重費(fèi)米子微觀理論將仍是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。
資料來(lái)源：物理研究所、百科
所有評(píng)論僅代表網(wǎng)友意見(jiàn)，與本站立場(chǎng)無(wú)關(guān)。