《自然-物理》:近一個世紀前提出的磁性理論的新觀察

2021-01-10 量子認知

1930年，瑞士物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者、費利克斯·布洛赫（Felix Bloch）提出了一個稱為磁振子的概念，以解釋在鐵磁體中自發磁化的減少，表明在非常低的密度下，順磁費米電子「海」應該自發轉變為完全磁化的狀態，現在稱為布洛赫鐵磁性。

普林斯頓大學和賓夕法尼亞州立大學的科學家，最近使用複合費米子來測試布洛赫鐵磁性，該研究論文發表在這一期的《自然-物理》上，提供了突然轉變到完全磁化的證據，這與布洛赫理論得出的狀態緊密相關。

複合費米子（composite fermion）是在相對大的垂直磁場中，在相互作用的二維費米子系統中，發現的奇異準粒子。這些由電子和兩個磁通量量子組成的準粒子，通常用於描述一種稱為分數量子霍爾效應的物理現象，。

分數量子霍爾效應是一種物理現象，指的是二維電子氣體的霍爾傳導率在分數值時會出現準確量子化的平線區，是一種集體態的特性，在這種集體態裡，電子把磁通量線束縛在一起，形成新的準粒子、有著分數化基本電荷的新激發態，並且有可能出現分數統計。

1998年的諾貝爾物理學獎因著對分數量子霍爾效應的發現與解釋而授予崔琦、勞夫林、施特默三人。但勞夫林的解釋只是一個唯象性的猜測，而且只適用於其中為奇整數。分數量子霍爾效應的微觀起源仍是一個謎，因此是現時凝聚態物理學的重要研究課題。

普林斯頓大學電氣工程學教授、論文主導之一、曼蘇·沙耶根（Mansour Shayegan）表示：「複合費米子確實很棒。 「它們是由相互作用和磁通量產生的，但是它們將這樣一個複雜的系統映射到一個簡單的準粒子集合，這些粒子在很大程度上表現為非相互作用，並且表現為好像它們沒有感受到大磁場他們最有趣的特性之一就是它們的自旋極化。」

當強磁場施加到它們上並且塞曼能量佔主導時，已知複合費米子會變成完全自旋極化（即完全磁化）。另一方面，在較低的磁場下，它們通常僅被部分磁化，因為庫侖能量起著相當大的作用。

沙耶根團隊對此複合費米子的這一獨特特性進行了進一步研究，使用了一種直接測量自旋極化的技術，該技術依賴於複合費米子在相對較長的距離（約0.2微米）上的無碰撞彈道傳輸。

沙耶根說：「我們發現，當降低複合費米子的密度（從而降低它們形成的磁場）時，它們確實失去了完全的自旋極化，」 「但是隨後出現了一個完全出乎意料的現象：隨著進一步降低密度，突然之間，複合費米子又再次完全旋轉了極化。我們有預感，這可能是由於兩者之間弱的複合費米子'殘留'相互作用所致，但我們無法證明這一點。」

如下圖所示複合費米子自旋極化隨密度變化的示意圖。在大密度下，複合費米子完全自旋極化（全部沿一個方向旋轉）。當密度降低至一定程度時，完全的自旋極化消失（即某些複合費米子順時針旋轉，其餘的則逆時針旋轉）。在甚至更低的密度下，複合費米子突然變得完全自旋極化（全部在一個方向上旋轉），從而發出布洛赫狀躍遷。

如果所觀察到的現象確實是由於不同複合費米子之間的弱殘留相互作用而引起的，那麼這種現象將讓人聯想到布洛赫鐵磁性，這是布洛赫在1929年所預測的狀態，一直難以證明與通過實驗驗證。

沙耶根說：「我們實驗成功的關鍵是獲得了調製摻雜的高品質砷化鎵/鋁鎵砷化半導體結構。」 「這些是我們普林斯頓大學的同事洛倫·菲佛和他的團隊使用分子束外延生長的。」

為了更深入地了解他們所觀察到的現象是否實際上可與布洛赫鐵磁性匹配，沙耶根研究團隊與賓夕法尼亞州立大學的理論物理學家、賈南德拉·賈恩（Jainendra Jain）團隊接洽。賈恩和他的兩個中國博士生趙通州（Tongzhou Zhao）和浦松陽（Songyang Pu）進行了一系列計算，旨在確定沙耶根研究團隊假說的有效性。

為了從理論上理解沙耶根團隊觀察到的現象，賈恩和他的兩個中國博士生使用了一種稱為「固定相擴散蒙特卡洛」方法的工具。當他們將這種理論構造應用於眼前的問題時，他們發現鐵磁狀態主要在臨界密度以下。

此外，賈恩和他的學生發現，從他們的計算得出的臨界密度值接近於普林斯頓大學同事所觀察到的值。因此，他們的結果支持以下假設：觀測到的狀態類似於布洛赫鐵磁。如圖所示低密度全自旋極化複合費米子的磁化。

賈恩解釋說：「揭示出的基本物理學與零磁場下電子的相似。」 「複合費米子的相互作用能偏愛鐵磁態，而動能則傾向於順磁態。隨著密度的降低，在某些時候相互作用能獲勝，導致轉變為完全鐵磁相。」

具有相互作用的電子的簡單系統非常普遍，並且在所有金屬中都存在相互作用的費米子，因此這些系統通常是物理學研究的重點。儘管已對其進行了廣泛的研究，但尚未清楚地觀察到這些系統中的布洛赫鐵磁性。

該研究的主要作者、沙法亞特·海珊（Md Shafayat Hossain）表示：「複合費米子的理論已經確立。 「在涉及複合費米子的理論和實驗中，大多數現象學都可以理解，而複合費米子之間沒有任何相互作用。因此，這也許是人們期望找到強相互作用特徵的最後一個平臺。但是，令人驚訝的是，我們的實驗表明，複合費米子費米子經歷布洛赫鐵磁性，這是強費米子間相互作用的典型表現。」

沙耶根說：「當電子系統被充分稀釋，以使庫侖能量在動能（費米）上佔主導地位時，電子應對準其自旋並完全磁化。」 「這是布洛赫，後來在埃德蒙·斯通納（Edmund Stoner）1947年和其他人最初討論的問題，是一個經典的教科書問題。我們認為，通過新的調製摻雜電子系統，最終有機會確定零場電子的布洛赫躍遷。 」

參考：Bloch ferromagnetism of composite fermions. Nature Physics(2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1000-z.

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