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研究快讯 | 金属的油腻表叔——找到了

已有 848 次阅读 2020-6-18 07:41 |系统分类:论文交流

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 5 October 2019;

revised 20 March 2020;

online 27 March 2020

EXPRESS LETTER

Metal to Orthogonal Metal Transition

Chuang Chen(陈闯), Xiao Yan Xu(许霄琰), Yang Qi(戚扬), Zi Yang Meng(孟子杨)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (4): 047103

文章亮点

幸福的家庭都是相似的，不幸的家庭各有各的不幸。作家们通过文学作品刻画人类社会的光怪陆离，科学家通过研究探索物质世界的丰富现象。这不，很多年前学界中传言金属家族中其实还有一位人们从未谋面的邋遢表叔——“正交金属”。他离经叛道，践行着和正常金属完全不同的生活方式：有些邋遢甚至油腻，连电子这样本性都给败掉了，不务正业地没有费米面，却玩弄起物质场和拓扑序规范场耦合这些歪门邪道的路数，最终也具有了其他金属一样的磁学响应。不过您还别说，这么一个传说中油腻表叔还真让我们找到了，在他邋遢的外表下面其实也有着不平凡的人生。

戚杨教授应邀为这项工作作了视频讲解：

http://as.iphy.ac.cn/video_detail.php?id=27341

金属的油腻表叔——找到了

研究背景和意义

超越费米液体理论的量子金属物态是凝聚态物理学研究中的主要问题之一。尽管实验上在重费米子材料和高温超导材料中，人们早已观察到没有准粒子和具有奇异输运行为的非费米液体和量子临界金属态，但是对于这些量子物质形态的理解仍然没有完整和严格的理论框架。究其原因，缺乏非微扰的解析工具与可以严格计算的数值模型一直是领域进展的主要障碍。在本文中，研究人员基于前人提出的“正交金属”的理论构造，设计出了一个可以进行严格量子蒙特卡洛计算的微观晶格模型，该模型实现了费米子物质场和Z2规范场耦合这样的物理图像。通过调节系统中量子涨落的强度，蒙特卡洛模拟成功展示了从普通金属到具有拓扑序和没有准粒子与费米面的“正交金属”的连续相变。这项研究为探索非费米液体提供了新的范例，尤其是打通了物质场与规范场耦合模型的思路，为接下来的研究指出方向。

研究内容

研究人员在二维正方晶格上构造了如图1(a) 所示的正交金属的模型。在格点处生活着正交费米场与伊辛物质场，在格点之间存在着Z2规范场，规范场分别与伊辛物质场和正交费米场通过最小耦合的方式联系起来。伊辛物质场和Z2规范场的量子涨落是整个系统相互作用的来源。将正交费米场与伊辛物质场组合可以得到真实的费米子，称为“复合费米子“，与实际的费米子如电子有相同的量子数，而正交费米子由于不具有规范不变性，不能通过一般的实验手段测量到。

图1. (a) 在晶格格点上有正交费米场fi,α与伊辛物质场S_i^z，格点之间是Z2规范场，蓝色的椭圆代表着由正交费米场与伊辛物质场组合而成的“复合费米子”。(b) 正常金属相的示意图，复合费米子ci,α有一可观测的费米面。(c) 正交金属相的示意图，正交费米场fi,α有一隐藏费米面，此费米面不能被通常的实验手段直接观测到。

通过调节伊辛物质场的横场参数，研究人员可以在这个晶格模型上实现正常的费米液体相与所谓的”正交金属“相，图1(b), (c) 所示是它们的示意图，并且研究它们之间的相变是如何发生的。图2所示为对应的复合费米子的费米面谱权重与正交费米子的自旋磁化率数据。当横场大于临界横场时模型处于”正交金属“相，从数值模拟得到的复合费米子的谱权重为零，此时系统没有实际的费米面，但通过正交费米子的自旋磁化率可以间接推断此时正交费米子仍然处于金属状态，有一个隐藏的费米面，”隐藏“ 意味着此费米面不能通过通常的实验手段如角分辨光电子能谱观测得到，这种特殊的金属状态 -- 正交金属 -- 是非费米液体理论的一种模型实现。而当横场小于临界横场时，我们可以得到正常的费米液体，复合费米子显示出一个通常的费米面。费米液体金属相和正交金属相之间的相变为 Higgs连续相变。

图2. 从费米液体到正交金属的费米面与磁学响应。图 (a), (b) 和 (c): 复合费米子的费米面谱权重A(k,ω)～G(k,β/2)，模型参数为L=24,T=0.1,g=0.5。图 (a) h=0.4(h<hc), 处于正常金属相；图 (b) h=2(h～hc) , 此时为临界区域；图 (c) h=4(h>hc), 处于正交金属相。图 (d), (e) 和 (f): 正交费米子fi,α的自旋磁化率χ(q,ω), 模型参数与上半部分的图一一对应。不论是在费米液体还是正交金属相，近似钻石型的费米面导致自旋磁化率在q=(π,π)附近都有4个小峰，反应即使在h>hc时，正交费米子其实仍然处于金属态，拥有隐藏的费米面。