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中國科學院物理研究所 EX9組供稿 第9期 2020年02月13日
北京凝聚態物理國家研究中心
重費米子體系中雜化動力學的理論研究與實驗探測

  長期以來,對重費米子物理的理解主要基于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,并產生直接和間接雜化帶隙,引起f電子的局域-巡游轉變。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-巡游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,并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,不同于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征溫標(圖1):T\(\dagger\)和T*。其中高溫溫標T\(\dagger\)對應ARPES測量中能帶彎折開始出現的溫度,在T\(\dagger\)之上,超快實驗探測到的高能準粒子弛豫率近似不變,在T\(\dagger\)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,大小依賴于輻照光強,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\(\dagger\)之下的直接帶隙,受限于能量分辨率無法看到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。
  以上結果表明,直接和間接帶隙并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\(\dagger\)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,此后重電子態才真正建立并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并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。
  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。相關工作分別發表于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

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征,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。
圖3:基于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。
下載附件>> PRL 124, 057404 (2020).pdf
下載附件>> PRB 100, 195133 (2019).pdf
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