【 仪表网 仪表研发】长期以来，对重费米子物理的理解主要基于平均场方法所提供的静态杂化图像。该图像认为f电子在相干温度T*之下会在费米面附近与导带发生杂化，从而形成重电子能带，并产生直接和间接杂化带隙，引起f电子的局域-巡游转变。
 

　　在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态(即由一套量子数所确定的微观状态)上只容许容纳一个粒子，这种粒子称为费米子 。或者说自旋为半奇数(1/2，3/2…)的粒子统称为费米子，服从费米-狄拉克统计。费米子满足泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。 轻子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是费米子。自旋为3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是费米子。中子、质子都是由三种夸克组成，自旋为1/2。奇数个核子组成的原子核。因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。
 

　　但是近些年来，有越来越多的实验证据表明，真正理解重费米子的局域-巡游转变物理必须超越平均场理论的简化图像。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX9组研究员杨义峰与合作者一起，对这一问题进行了长期探索，发展了唯象的重费米子二流体理论，并提出以杂化的动力学涨落为基础，重新建立重费米子物理的基本理论图像。2017年，复旦大学封东来研究组测量了重费米子材料CeCoIn5的角分辨光电子能谱(ARPES)，发现杂化导致的能带弯折(bending)远在其他实验如电阻测量给出的相干温度T*之上就已经出现，不同于通常平均场图像的预期，导致了理解上的矛盾和困惑。
 

　　最近，杨义峰与电子科技大学教授齐静波等人合作，利用超快光谱对CeCoIn5进行了系统研究，发现该体系中实际上存在两个特征温标：T\(\dagger\)和T*。其中高温温标T\(\dagger\)对应ARPES测量中能带弯折开始出现的温度，在T\(\dagger\)之上，超快实验探测到的高能准粒子弛豫率近似不变，在T\(\dagger\)之下开始随温度降低快速下降，表明杂化改变了费米面附近的电子结构，导致直接带隙，抑制了高能准粒子的能量弛豫。而低温温标T*则恰好对应传统电阻测量的相干温度，在T*之下，弛豫率呈现非线性效应，大小依赖于辐照光强，这一现象意味着态密度上出现了窄的能隙(间接带隙)，导致了弛豫过程的瓶颈效应。超快光谱同时探测到了这两个现象，对两种不同带隙具有不同响应，而ARPES只探测到T\(\dagger\)之下的直接带隙，受限于能量分辨率无法看到T*处才出现的小的间接带隙，电阻则在T*之下间接带隙出现时才发生明显变化。
 

　　以上结果表明，直接和间接带隙并非如平均场理论预言的那样同时出现，而是随温度降低逐步发展的两阶段过程：杂化效应在高温T\(\dagger\)处开始出现，首先导致费米面附近的能带弯折和直接带隙，进而随温度降低逐步发展，在低温T*处开始发生长程关联，形成间接带隙，此后重电子态才真正建立并受到间接带隙的保护。为了证明这一图像，杨义峰指导博士研究生胡丹青、董建军等，对周期性Anderson模型进行了蒙特卡洛数值模拟(DQMC)，仔细分析了杂化关联随温度的演化，发现在平均场所预言的间接带隙打开之前，确实存在一个高温过渡区，具有低能的杂化涨落行为并导致费米面处直接带隙的出现，这一现象是平均场理论所没有的。
 

　　蒙特卡罗法也称统计模拟法、统计试验法。是把概率现象作为研究对象的数值模拟方法。是按抽样调查法求取统计值来推定未知特性量的计算方法。蒙特卡罗是摩纳哥的著名赌城，该法为表明其随机抽样的本质而命名。故适用于对离散系统进行计算仿真试验。在计算仿真中，通过构造一个和系统性能相近似的概率模型，并在数字计算机上进行随机试验，可以模拟系统的随机特性。
 

　　以上研究从实验和理论两个方面表明了动态杂化涨落的重要性，从而有必要在杂化动力学的基础上重新理解重费米子物理。但要穿越传统图像的迷障，构建新的重费米子微观理论将仍是一个漫长的过程。
 

　　资料来源：物理研究所、 百科