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中国科学院物理研究所 T03组供稿 第45期 2017年09月29日
北京凝聚态物理国家实验室
巡游电子量子临界行为研究取得进展
  按照朗道费米液体理论,金属中巡游电子间相互作用的效果是其质量和动力学性质得到了修正,变成准粒子。准粒子之间没有相互作用,当温度趋于零的时候,准粒子的寿命趋于无穷,准粒子权重趋于有限值。然而,在大多数关联巡游电子系统中,尤其当靠近量子临界点时,如重费米子系统中的磁性量子临界点,铜基、铁基超导体中的反铁磁和向列相量子临界点,实验上往往发现各种奇异的行为,为费米液体理论所不能解释,人们姑且命名之为 “非费米液体” (Non-Fermi liquid),又称 “奇异金属” (strange metal)。对于“奇异金属”,需要发展巡游电子量子临界理论来对其进行描述。
  然而对于巡游电子量子临界行为的正确描述 ,几十年来都是凝聚态物理学界从理论到实验都在关心的难题。 这类问题的困难之处在于不能严格解析求解,这是因为在量子临界点附近,无穷多的玻色子临界模和巡游电子的费米面强烈耦合,使得对于系统的正确描述涉及到无穷多的相互耦合的低能自由度。面对这样的强关联问题,微扰论和重正化群中的各种展开技巧和准粒子假设,纷纷失效,以致于无法给出定量甚至定性的结果。
Fig.1巡游电子伊辛铁磁量子临界点(QCP)示意图。在QCP的左侧,系统具有伊辛铁磁序,费米面因自旋简并度的解除而劈裂;在QCP的右侧,系统处于顺磁状态,费米面恢复自旋简并状态。在左右两边,系统的低能描述都是朗道费米液体。而在QCP之上的量子临界区域内,由于玻色子临界涨落和费米面的耦合,系统涌现出非费米液体 (NFL) 的量子临界行为。
  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)理论室T03组已毕业博士生许霄琰(导师方忠研究员、孟子杨副研究员),副研究员孟子杨,与美国密歇根大学孙锴教授,以色列魏兹曼研究所博士生 Yoni Schattner, 美国芝加哥大学 Erez Berg 教授组成的研究团队(下面简称该团队),发展了新型的费米子量子蒙特卡洛方法,通过赋予传统的行列式蒙特卡洛中的玻色子辅助场真实的物理意义,并将玻色子临界涨落和费米面耦合起来,使得玻色子的涨落传递费米子之间的有效相互作用,成功地在巡游电子体系中制造出伊辛铁磁量子临界点。该团队借助大规模量子蒙特卡洛计算,通过定量调控量子涨落的大小,数值严格地研究了巡游电子量子临界行为。
  计算发现,在二维巡游电子铁磁量子临界点之上的量子临界区中,准粒子权重、相互作用所引入的自能等等与费米子相关的物理量确定性地展现出非费米液体行为。进一步,该团队从量子临界区域中的玻色子动力学响应函数中,观察到与常用的、描述巡游电子量子临界行为的 Hertz-Millis-Moriya 理论,不同的临界行为。例如,动力学自旋关联函数中,蒙特卡洛数值计算证明了反常标度维度的存在。该结果是传统的微扰论和平均场计算无法得到的,也正是巡游电子临界行为中不同于平均场相变的地方。这些结果,揭示了二维巡游铁磁量子临界点,将会是一个全新的普适类。
  这项工作,为今后运用大规模数值方法,定量研究巡游电子体系量子临界点奠定了基础,文章发表在最近一期的Physical Reivew X (Phys. Rev. X 7, 031058 (2017))。而该团队在二维巡游反铁磁量子临界点处,也发现了现有的 Hertz-Mills-Moriya理论的所适用界限,后续实验观测和理论计算,正在逐步深入下去。
  上述工作得到了国家重点研发计划 (2016YFA0300502,许霄琰、孟子杨),国家青年千人计划、国家自然科学基金(11421092,11574359,许霄琰、孟子杨),美国国家自然科学基金(PHY-1402971,孙锴)和 Alfred P. Sloan Foundation基金会 (孙锴), 以及以色列科学基金(1291/12, Yoni Schattner, Erez Berg)和以色列-美国基础科学基金(2014209,Yoni Schattner, Erez Berg)的支持。量子蒙特卡洛模拟所需的大规模的并行计算在德国莱布尼茨超算中心和天津国家超算中心天河1号平台上完成,计算过程中得到了天津国家超算中心孟祥飞博士、菅晓东工程师、赵洋工程师等人的有力配合,他们在“天河一号”系统升级计算资源紧张的情况下,通过合理动态调配节点,使得大规模并行蒙特卡洛计算得以顺利完成。从这项工作还看到,目前国内的超算平台实质性地助力基础科学研究的时机已然到来,基础科学研究单位和国家超算中心更加精彩的合作,将会不断涌现。
下载附件>> PhysRevX.7.031058.pdf
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