進展|重費米子體系中雜化動力學的理論研究與實驗探測

2021-01-09 中科院物理所

長期以來，對重費米子物理的理解主要基於平均場方法所提供的靜態雜化圖像。該圖像認為f電子在相干溫度T*之下會在費米面附近與導帶發生雜化，從而形成重電子能帶，並產生直接和間接雜化帶隙，引起f電子的局域－巡遊轉變。但是近些年來，有越來越多的實驗證據表明，真正理解重費米子的局域－巡遊轉變物理必須超越平均場理論的簡化圖像。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組的楊義峰研究員與合作者一起，對這一問題進行了長期探索，發展了唯象的重費米子二流體理論，並提出以雜化的動力學漲落為基礎，重新建立重費米子物理的基本理論圖像。2017年，復旦大學封東來研究組測量了重費米子材料CeCoIn5的角分辨光電子能譜（ARPES），發現雜化導致的能帶彎折（bending）遠在其他實驗如電阻測量給出的相干溫度T*之上就已經出現，不同於通常平均場圖像的預期，導致了理解上的矛盾和困惑。

最近，楊義峰研究員與電子科技大學的齊靜波教授等人合作，利用超快光譜對CeCoIn5進行了系統研究，發現該體系中實際上存在兩個特徵溫標（圖1）：T和T*。其中高溫溫標T對應ARPES測量中能帶彎折開始出現的溫度，在T之上，超快實驗探測到的高能準粒子弛豫率近似不變，在T之下開始隨溫度降低快速下降，表明雜化改變了費米面附近的電子結構，導致直接帶隙，抑制了高能準粒子的能量弛豫。而低溫溫標T*則恰好對應傳統電阻測量的相干溫度，在T*之下，弛豫率呈現非線性效應，大小依賴於輻照光強，這一現象意味著態密度上出現了窄的能隙（間接帶隙），導致了弛豫過程的瓶頸效應（圖2）。超快光譜同時探測到了這兩個現象，對兩種不同帶隙具有不同響應，而ARPES只探測到T之下的直接帶隙，受限於能量解析度無法看到T*處才出現的小的間接帶隙，電阻則在T*之下間接帶隙出現時才發生明顯變化。

圖1：CeCoIn5的超快光譜，2ps處信號的弛豫率隨溫度降低呈現出兩類不同的特徵，定義了兩個不同的溫度區間。

圖2：(a) T*之下的靜態雜化示意圖；(b) 存在間接雜化帶隙時的準粒子弛豫過程。

以上結果表明，直接和間接帶隙並非如平均場理論預言的那樣同時出現，而是隨溫度降低逐步發展的兩階段過程：雜化效應在高溫T處開始出現，首先導致費米面附近的能帶彎折和直接帶隙，進而隨溫度降低逐步發展，在低溫T*處開始發生長程關聯，形成間接帶隙，此後重電子態才真正建立並受到間接帶隙的保護。為了證明這一圖像，楊義峰研究員指導博士研究生胡丹青、董建軍等，對周期性Anderson模型進行了蒙特卡洛數值模擬（DQMC），仔細分析了雜化關聯隨溫度的演化，發現在平均場所預言的間接帶隙打開之前，確實存在一個高溫過渡區，具有低能的雜化漲落行為並導致費米面處直接帶隙的出現，這一現象是平均場理論所沒有的。

圖3：基於雜化漲落計算出的重費米子相圖，背景顏色為雜化漲落的強度。其中IV為靜態雜化區，III為動態雜化漲落區，物理上分別對應超快實驗中的低、高溫兩個不同溫區。

以上研究從實驗和理論兩個方面表明了動態雜化漲落的重要性，從而有必要在雜化動力學的基礎上重新理解重費米子物理。但要穿越傳統圖像的迷障，構建新的重費米子微觀理論將仍是一個漫長的過程。相關工作分別發表於Phys. Rev. Lett. 124, 057404 (2020)和Phys. Rev. B 100, 195133 (2019)，得到了基金委（11974397、11774401、11522435）、科技部（2017YFA0303103、2015CB921303）和中科院青促會的支持。

[1] Y. P. Liu, Y. J. Zhang, J. J. Dong, H. Lee, Z. X. Wei, W. L. Zhang, C. Y. Chen, H. Q. Yuan, Yi-feng Yang*, and J. Qi*, Phys. Rev. Lett. 124, 057404 (2020).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.057404

[2] Danqing Hu, Jian-Jun Dong, and Yi-feng Yang*, Phys. Rev. B 100, 195133 (2019).

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.195133

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