Ce 基重费米子材料的电子态研究与维度调控

重费米子材料作为一类典型的强关联电子体系,蕴含着非常规超导、奇异金属、量子临界、 磁有序、重电子态、关联拓扑态等新奇的量子态,而4f 电子在其中扮演着重要的作用。随着高分 辨角分辨光电子能谱和薄膜生长技术的发展,精确探测重费米子材料中4f 电子在能量/动量空间 的色散和谱权重成为了可能,这为从微观上理解这类材料中的电子关联效应和新奇量子现象提供 了重要的基础。本论文总结了几个典型的重费米子单晶和薄膜体系的电子态研究,包括Ce-115 体 系、CeCu2Si2、CeRh6Ge4 以及单晶 Ce 膜等。这些结果为理解重费米子体系中重电子态的形成 和温度演化、近藤杂化的能带/动量依赖、重电子能带与超导的关系、近藤效应与磁性和其它量子 态的竞争、4f 电子的维度调控等重要物理问题提供了谱学证据。     

专题导读

正重费米子化合物是一类典型的强关联电子体系,通常存在于含有f电子的镧系或者锕系金属间化合物中,近期在一些过渡金属化合物中也发现了类似的重费米子行为。在该类化合物中,局域电子与导带电子通过近藤效应杂化而形成复合费米子,其电子有效质量可高达自由电子的上千倍,"重费米子"因此得名。此外,局域电子与导带电子杂化会在费米能级附近打开一个能隙,根据能隙的大小以及费米能级的位置,重费米子体系可以是金属、半金属、半导体甚至绝缘体。     

重费米子超导

重费米子材料作为典型的强关联电子体系,具有丰富的物理内涵。重费米子超导也因复杂的电子间相互作用而具有多种不同的超导配对机理。文章以几个典型的重费米子超导体(CeCu_2Si_2、CeMIn_5、UTe_2)为例,介绍其基本物理性质,其中重点讨论超导与反铁磁、铁磁之间密不可分的竞争/共存关系。另外,文章还讨论空间反演中心/时间反演对称性破缺对重费米子超导体序参量的影响。最后,简单介绍了几种比较特殊的竞争序诱导的重费米子超导态。     

重费米子化合物 CemMnIn3m+2n(m = 1, 2, 3; n = 0, 1, 2; M = Co,Rh,Ir,Pt 及Pd) 的角分辨光电子能谱研究

重费米子材料以其新奇多变的宏观性质,复杂而难以理解的微观物理过程而受到广泛的关注,长期是凝聚态物理研究的重点。角分辨光电子能谱作为一种能够直接探测材料电子结构的实验手段,随着近年来实验技术的高度发展,能量和动量分辨率得到了极大的提高,能够有力地探测到强关联材料中更加精细的电子结构。使用角分辨光电子能谱探测重费米子材料的电子结构,为理解其各种物理过程提供强有力的实验证据,进而推进重费米子理论的发展。本文回顾 Ce 基重费米子材料 CemMnIn3m+2n (m = 1; 2; 3;n = 0; 1; 2;M =Co, Rh, Ir, Pt, Pd) 系列化合物的角分辨光电子能谱研究,包括电子结构的维度、近藤共振、f 电子与导带电子的杂化和电子结构随温度的变化等。     

重费米子二流体理论

强关联电子同时表现出局域和巡游的二重性,这是量子力学波粒二象性在凝聚态物理领域 的表现,也是导致强关联材料中各种新奇量子效应的根源。本文以重费米子材料为例,探讨强关 联f 电子在该类材料中局域和巡游二重行为的实验表现,重点介绍重费米子的二流体唯象理论。 这一理论成功解释了众多先前无法解释的实验现象,揭示了重费米子体系复杂行为背后的统一物 理起源,为理解强关联系统包括铜氧化物和铁基超导材料中电子的奇异行为提供了一种新的思 路,亟待更加深入的理论和实验探索。     

重费米子材料中的反常物性

重费米子研究对探索强关联电子体系新奇量子现象的组织原则具有重要的意义。文章介绍了作者近年来对重费米子材料正常态反常性质的研究进展,揭示了重电子的普适温度演化行为和Fano干涉效应,为理解重费米子物理和探索非常规超导机理提供了新的思路。     

重费米子超导与竞争序

与其他非常规超导系列相比, 重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序, 超导与各种竞争序相伴而生, 电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关, 扩充了非常规超导的研究内容. 重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成, 表现出局域与巡游的二重性. 重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.     

Tsvelik—Reizer唯象模型中的非费米液体行为

我们研究了电子比热、直流电阻率、电子磁化率在非费米液体重费米子体系的Ｔｓｖｅｌｉｋ－Ｒｅｉｚｅｒ唯象模型中表现出的非费米液体行为。考虑到电子与集体激发的相互作用，在低频和长波长极限下，在单圈图近似内我们首先计算了电子自能，得到与边缘费米液体理论中的电子自能非常相似的结果。利用电子自能的结果，我们计算了电子比热，发现从Ｔｓｖｅｌｉｋ－Ｒｅｉｚｅｒ模型得到的电子比热与非费米液体重费米子体系上的实验结果     

重费米子超导理论和材料研究进展

重费米子超导体是一类典型的强关联和非常规超导系统,超导的产生与量子临界涨落有着紧密的关系.在实际材料中,不同结构体系的重费米子超导体往往表现出非常不同的竞争序和超导性质,表明f电子的行为对材料的结构特征具有敏感依赖性.特别是最近几年的超导实验研究,表明具体材料的实际电子结构对重费米子超导的性质具有重要影响.本文将简要介...     

重费米子材料与物理

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等.相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系.本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状,概述几类典型的重费米子材料,并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.     

重费米子化合物LiV2O4电子结构的第一性原理研究

用第一性性原理的FP-LMTO能带计算方法研究了重费米子化合物LiV2O4的电子结构。结果表明：费米面附近的导带是由V原子的3d电子形成的宽度为2.5eV的窄能带,是3d态在立方晶体场中具有t2g对称性的子带;它与O的2p轨道构成的能带有近1.9eV的能隙。计算得出的费米能处电子态密度和线性电子比热系数分别是11.1states/eV f.u.和26.7mJ/molK^2。费米面处的能带色散具有电子型和空穴型和空穴型两种,呈现出一种复杂的费米面结构。LSDA以及LDA+GGA计算表明,LiV2O4有一个磁矩为每个钒原子1.13μB,总能比LDA基态低约148meV/f.u.的铁磁性基态。由目前的能带结构计算的结构无法确定这一类Kondo体系的局域磁矩的来源,表明这一化合物中的重费米子行为可能有别于在含有4f和5f稀土的重费米子合金中观察到的局域磁矩与传导电子的交换作用机制,其中存在量子相变的可能。     

压力环境下重费米子体系的物性探索

@@@@重费米子体系是近藤晶格中的强关联电子系统,它由于电、磁等相互作用的竞争呈现出丰富的电子基态,而且由于各种相互作用的能量尺度较小,它会对外界参量(压力、掺杂、磁场)的调控比较敏感。文章论述了重费米子体系的基本性质和它在压力环境下的物性演变以及相关的量子临界现象。超导态一般会出现在量子临界点附近,文章特别以“115”超导体系为例,讲述了超导态与其他长程序共存时可能出现的纹络化结构,介绍了如何运用压力下的谱学测量(如转角比热、软点接触隧道谱)来研究压力下重费米子体系的物性特别是超导序参量的对称性。     

空穴掺杂铱氧化物Srn+1IrnO3n+1 (n=1,2)的角分辨光电子能谱研究

近年来, 与铜氧化物高温超导体具有类似电子结构的5d 轨道 Ruddlesden-Popper 类型铱氧化物由于体系中库伦排斥和自旋轨道耦合之间的合作效应被人们广泛探究. 其中, 金属绝缘体转变的关键影响因素是该方向的核心研究问题, 该结果对推进掺杂莫特绝缘体体系的研究具有重要作用. 因为铱氧化物与铜氧化物在单能带哈伯德模型的次 近 邻 跃 迁 项 具 有 不 同 符 号, 因 此 空 穴 掺 杂 铱 氧 化 物 类 比 电 子 掺 杂 铜 氧 化 物. 我 们 将 空 穴 掺 杂Ruddlesden-Popper 类型铱氧 化 物 系 统 依 据 几 种 不 同 的 掺 杂 元 素 进 行 分 类, 分 别 介 绍 其 角 分 辨 光 电 子 能 谱(ARPES) 探测到的电子结构, 对其中金属绝缘体转变类型进行了总结, 并对该领域中的未来研究方向做出了展望.     

Majorana费米子与拓扑量子计算

1937年,Majorana发现Dirac所提出的相对论性协变的电子波动方程,在另一个表象下所得到解可以描述不带电荷的费米子,具有与Dirac费米子不同的性质。在基本粒子领域,对这种Majorana费米子的寻找至今一直在进行中;而在凝聚态物理领域,对拓扑超导体和分数量子霍尔态的研究,人们已经发现了与Majorana费米子有相同行为的准粒子。特别是在二维拓扑超导体系中出现的涡旋元激发包含了零能量的Majorana准粒子,它们在交换操作下表现出非阿贝尔的统计性质,因而有望借以实现拓扑量子计算。文章系统地介绍了凝聚态物质系统中获得Majorana费米子的理论模型和物理实现,并进一步介绍了与之相关的拓扑量子计算的实现方法。     

一个可能的P波型重费密子超导体——UBe_(13)

在朗道的费密液体理论框架下,我们解释了重费密子超导体UBe_(13)的超导临界温度随压力变化的实验结果。所得结论是:PBe_(13)可能是一个P波型的重费密子超导体。同时也发现由于加压使得系统的f能级与费密能级的相对移动和f电子与导带电子杂化的增加对S波超导有利,而对P波超导不利。     

重费米子超导体

美国《今日物理》1983年12期报道,美国科学家发现了第二个重费米子超导体UBe13.四年前西德科学家首次发现CeCu2Si2为重费米子超导休,引起了人们强烈兴趣.由于很难制备出符合化学配比的单相的CeCu2Si2,所以不同样品的性质有较大差别,测量的重复性也不太好.人们曾对重费米子超导体的存在有些担心.UBe13没有这种冶金学方面问题,同时应用新技术可获得高质量的CeCu2Si2晶体.因此人们就不应该再怀疑重费米子超导体的存在了. 什么是重费米子?测量结果表明,上述类型样品的电子有效质量非常高,高达自由电子质量的1000倍,这种具有极高有效质量的…     

一个可能的P波型重费密子超导体——UBe13

在朗道的费密液体理论框架下,我们解释了重费密子超导体UBe₁₃的超导临界温度随压力变化的实验结果。所得结论是:PBe₁₃可能是一个P波型的重费密子超导体。同时也发现由于加压使得系统的f能级与费密能级的相对移动和f电子与导带电子杂化的增加对S波超导有利,而对P波超导不利。 关键词：     

强磁场下的科学研究

文章介绍了强磁场在半导体物理、低维物理、高温超导体、重费米子、磁学、原子分子物理、化学、有机化合物、材料科学、微重力、核磁共振等领域中的重要作用.     

重费米子超导体中的超声Plasmon模

将重费米子超导体看成由s电子和f电子组成的系统,得到了一种可能的低能元激发模——超声Plasmon。证明在一定条件下,电子间通过交换这种低能集体元激发模,除了可导致s电子形成Cooper对外,同时还可导致s-f电子间混合对的形成。对系统的介电函数作了RPA近似计算,得到了超导转变温度的表达式,并讨论了混合对效应。另外,通过对比热反常的分析,讨论了在重费米子超导体中存在超声Plasmon模的可能性。     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.