各國物理學家共同努力揭示「奇怪金屬」行為

最近，某個研究團隊宣布解決了相互作用電子系統中NFL行為的謎題，並為量子金屬新模式的建立提供準則，包括量子多體計算和解析計算。

編譯︱蘇嵐

來源︱香港大學

在20世紀上半葉提出的朗道費米液體理論（FL），是目前科技行業使用金屬材料的基礎，它也是目前我們認識金屬的基礎。然而，在20世紀下半葉，越來越多的金屬材料被發現，但它們的性質卻與之前發現的金屬截然不同。這些不符合費米液體理論（NFL）的「奇怪金屬」性質對於物理學家來說一直是個謎，目前也還沒有確實的理論可以解釋這一現象。

最近，由香港大學物理系副教授Zi Yang MENG博士，明尼蘇達大學艾弗拉姆·克萊因博士和安德烈·丘布科夫博士，密西根大學副教授孫凱博士（Kai SUN）以及加州大學聖地牙哥分校Xiao Yan XU博士組成的研究團隊宣布解決了相互作用電子系統中NFL行為的謎題，並為量子金屬新模式的建立提供準則，包括量子多體計算和解析計算。這一發現最近在《量子材料》上發布。該項研究獲得了香港特別行政區研究獎學金委員會和中國科學技術部的支持。

NFL神秘行為的突破性發現

朗道費米液體理論成功解釋了許多簡單金屬，如銅、銀、金和鐵的許多特性，例如當溫度變化時，它們的電阻率、熱容量和其它屬性都與溫度T遵循簡單的函數關係（例如，電阻率遵循ρ~T2，熱容量遵循C~T, 而與材料細節無關）。費米液體理論的成功是基於一個中心假設，即費米液體中的電子、液滴之間不會相互作用，在材料中表現完全一樣。

然後，許多在FL理論確定後發現的金屬材料都與之不符。例如，在被稱為高溫超導化合物——如氧化亞銅和鐵基——在系統成為超導（電阻率為零）前，它們的電阻率在溫度ρ~T上是線性的，這種系統通常被稱為非費米液體（NFL）。與FL不同的是，NFL的電子、液滴間有強烈的互作用。

NFL有希望幫助解決能源問題

物理學家對NFL還不是非常了解，因此也很難做出具體預測。但是，這些系統對於人類社會的持續發展至關重要，因為NFL是使用高溫超導材料的關鍵，這些材料將能幫助解決能源問題。目前，這些高溫超導材料還僅僅只能在零下100攝氏度下工作——它們之所以被稱為高溫則是相對於FL超導材料而言的，FL超導材料在零下200攝氏度下工作——所以在室溫下還是很難將高溫超導材料應用到日常生活中，但只有在日常生活中可以應用了，才能讓我們享受到這些材料的優勢，它們不會因為電阻率產生熱能而損失電能。只有當我們理解了NFL在高溫超導中如何在零下100攝氏度工作，我們才能設計出在室溫下工作的超級材料。所以，徹底了解NFL至關重要。

擁有分析背景的物理學家半世紀以來一直嘗試解開NFL之謎。解析計算的問題在於，由於NFL的量子多體特性，許多理論預測的收斂性和準確性無法得到控制和保證；我們需要通過客觀的量子計算來驗證這些預測。

解開謎題的關鍵是計算

在數值前端，曾做過很多嘗試，但獲得的結果總是和分析預測的不同。例如，NFL最關鍵的量——自能Σ——它描述了電子在材料中互相作用的水平，預計會有一個冪律頻率依賴性如Σ~ω2/3。然而，計算出的自能不符合冪律分布，而是表現為慢發散，即計算出的自能不會隨著頻率減小而趨向零，而是變得越來越大。這些變化讓情況變得更複雜。

Meng博士，丘布科夫教授和克萊因博士進行了一場鼓舞人心的討論後，他們意識到數值模擬的設定實際上和分析計算的設定不同。微妙之處在於，模型模擬是在有限溫度下在有限系統中進行，即T≠0，而分析計算則希望嚴格設定為零攝氏度T=0。換言之，數值結果實際上由NFL產生的零溫和在有限溫度下的波動共同影響而成。為了能夠從晶格模型仿真（如設定）中揭示NFL行為，我們需要減少有限溫度的影響。

這是解開NFL謎題的關鍵啟示。克萊因博士、孫博士和丘布科夫教授為Meng博士和Xu博士導出了有限溫度貢獻的解析形式（輸入來自Meng博士和Xu博士設計的晶格模型），供Meng博士和Xu博士使用和根據數值結果進行推導，結果顯示為黑色虛線以及其周圍的數據。讓所有人驚奇和欣喜若狂的是，推導後的結果完全符合預期的NFL行為，從有限溫度到零度，都符合冪律分布。這是首次從無偏數值模擬中獲得如此清晰的NFL行為。

為社會開創更美好未來

Meng博士表示這項研究將為接下來許多理論和試驗研究帶來啟示，事實上，通過進一步的研究，為進一步識別另一模型系統中的NFL行為已經獲得了可喜的結果，他說：「這項研究工作揭示了延續幾十年的NFL謎題，也為半個多世紀前建立的量子金屬新模式鋪平了道路。最終，我們能夠了解NFL材料（如高溫超導）像了解簡單金屬（如銅和銀等）一樣，而那些新認識將解決能源問題，並為社會帶來更好的行業和個人應用。」

END