北京時間3月5日凌晨，Nature雜誌線上發表了浙江大學關聯物質研究中心、浙大物理系袁輝球團隊在重費米子領域的最新研究成果，首次在純淨的重費米子化合物 CeRh6Ge4中發現鐵磁量子臨界點，並且觀察到奇異金屬行為。這一發現改變了人們普遍認為鐵磁量子臨界點不存在的觀念，將奇異金屬行為拓展到鐵磁材料體系。

論文審稿人一致評價：在純淨的重費米子材料中觀察到鐵磁量子臨界點和奇異金屬行為是一項重要的實驗發現，這為研究量子相變開闢了一個新的方向，有助於揭示奇異金屬行為的共同起源。

當描述物質的變化時，科學家常用到一個詞：相變。 相變是指當物質經過臨界點時，從一種相轉變成另一種相的過程。水在降溫過程中固化為冰，金屬鐵在1043K以下轉變為鐵磁體，這些都是我們熟悉的相變。常見的相變都出現在有限溫度，是體系內粒子相互作用與熱運動競爭的結果。這類相變又叫經典相變，由熱漲落驅動，具有普適的標度行為。到20世紀70年代，經典相變基本上可以由建立在對稱性破缺、序參量漲落和重整化群基礎上的Landau-Ginzburg-Wilson理論來描述。 那麼，在絕對零度時是否還會發生相變？根據經典相變的觀點，在絕對零度時熱漲落已經被完全抑制，相變應該不再發生。然而，根據量子力學海森堡不確定性原理，微觀粒子的動量和座標不可能同時確定。因此，即使在絕對零度，粒子仍然具有“零點能”，存在量子漲落。類似經典相變中的熱漲落，量子漲落同樣可誘導量子相變，並且對有限溫度的物理性質產生深遠影響。

圖：量子相變示意圖

近幾十年，量子相變一直是凝聚態物理研究的一個重要前沿領域，人們在不同的材料體系中都觀察到了量子相變。袁輝球說，“對於強關聯電子體系，特別是重費米子化合物，由於其基態特徵能量尺度較低，人們可以通過多種非溫度參量對其基態進行連續調控，因而是研究量子相變和相關量子臨界現象的理想材料體系”。 相比其他型別的量子相變，磁性量子相變受到了更廣泛的關注。人們發現，反鐵磁量子臨界點出現在許多關聯電子材料體系中。例如，在重費米子材料、鐵基高溫超導體和有機超導體等關聯電子材料中，通過壓力、磁場、摻雜等非溫度參量調節電子的相互作用，反鐵磁長程式可以被連續抑制到絕對零度，並且在量子臨界點附近出現超導和奇異金屬行為。然而，迄今為止，鐵磁量子臨界點的存在尚缺乏確鑿的證據。“揭示量子相變的普適性，完善量子相變理論，探索量子臨界點附近的新穎量子態仍是當前的重要課題。”袁輝球說。

先前的理論與實驗研究普遍認為，巡遊鐵磁體系不存在量子臨界點。比如，在UGe2, MnSi，ZrZn2和 CeAgSb2等鐵磁材料中，鐵磁序要麼經歷一級相變而突然消失，要麼轉變為反鐵磁序。另一方面，在鐵磁體系中，無序效應對量子相變有著深遠的影響。為了尋找鐵磁量子臨界點，探索相關的奇異量子現象，袁輝球團隊在近10年的努力中嘗試了多種材料體系，不斷提升樣品品質，並且發展了極端條件下的新型物性測量方法。 研究團隊將重點放在含有局域電子的低維重費米子量子臨界材料中。重費米子體系是一類典型的強關聯電子體系，隨著溫度的降低，局域的 f-電子通過近藤效應與導帶電子雜化而形成複合費米子，其電子有效品質可高達自由電子的上千倍，“重費米子”因此得名。

圖：CeRh6Ge4的晶體結構及鐵磁性質

在系統研究了幾類不同結構的鐵磁化合物之後，他們發現具有準一維晶體結構的近藤晶格化合物 CeRh6Ge4 是研究鐵磁量子臨界點的理想體系。“讓人感到驚喜的是，我們第一次在純淨的近藤晶格體系中發現了鐵磁量子臨界點存在的確鑿實驗證據。”袁輝球團隊展示了他們的最新研究發現。 為了避免元素替換引起的無序效應，袁輝球團隊採用壓力作為一種純淨的調控手段。通過極端條件下的電阻、比熱、磁化率等多種物性測量，他們發現 CeRh6Ge4 的鐵磁序隨著壓力的增加而逐漸被抑制掉，在較低的壓力下（pc»0.8GPa）出現鐵磁量子臨界點。

圖：CeRh6Ge4的壓力-溫度相圖及可能的物理影象

論文第一作者，博士生沈斌說，“極端條件下的物性測量手段非常有限並且極具挑戰性。能在這麼低的壓力下發現鐵磁量子臨界點，這為深入研究鐵磁量子臨界點附近的物理性質提供了方便，有助於我們認清其物理本質。”

在銅和鋁等普通金屬中，電子間的庫倫排斥力較弱，可以把電子當作近自由的電子氣，其低溫物理性質可以通過朗道提出的費米液體理論來描述，如電阻與溫度的平方成正比，電子比熱除以溫度是一個常數。在重費米子材料CeRh6Ge4 的鐵磁量子臨界點兩端，電阻和比熱仍遵循費米液體行為，但電子比熱係數或者有效品質在鐵磁量子臨界點趨於發散。而在鐵磁量子臨界點，該材料的低溫電阻正比於溫度，比熱係數對數發散，明顯偏離朗道費米液體理論。

圖：量子臨界點附近的奇異金屬行為

袁輝球說，“這種奇異金屬行為，先前出現在銅基高溫超導體和部分反鐵磁重費米子化合物的量子臨界點，是困惑物理界的一大難題。現在，在鐵磁量子臨界點附近也觀察到了類似的奇異金屬行為，說明這可能是一種普遍的量子現象。”據了解，量子臨界點附近的奇異金屬行為與超導緊密相關，理解好正常態的奇異金屬行為，也將有助於認識高溫超導等非常規超導的形成機理。

在論文中，袁輝球教授還與美國羅格斯大學的 Piers Coleman 教授合作，對實驗現象提出了一種可能的理論模型。他們認為，由於磁的各向異性，在鐵磁態中出現了一種具有量子糾纏效應的自旋對，即自旋三重態共振價鍵（triplet resonating valence-bond (tRVB)），其佔比隨壓力的增加而增加。在鐵磁量子臨界點，由於近藤效應的作用，與tRVB 態相關的局域磁矩被分數化為帶負電的重電子和帶正電的近藤單態背底，導致費米麵的突然增加和奇異金屬行為。

圖：袁輝球團隊部分成員

該項工作的參與單位包括浙江大學關聯物質研究中心/物理系、美國羅格斯大學物理與天文系、德國馬普固體化學物理研究所和英國倫敦大學(Royal Holloway)物理系。浙江大學博士生沈斌和張勇軍為論文共同一作，浙江大學袁輝球教授和 Michael Smidman 研究員（校百人計劃研究員）以及羅格斯大學/倫敦大學的 Piers Coleman 教授為共同通訊作者。袁輝球教授為該專案的負責人，設計並領導了整個專案。

更多詳情, 請閱讀原文：Bin Shen, Yongjun Zhang, Yashar Komijani, Michael Nicklas, Robert Borth, An Wang, Ye Chen, Zhiyong Nie, Rui Li, Xin Lu, Hanoh Lee, Michael Smidman, Frank Steglich, Piers Coleman, and Huiqiu Yuan，Strange metal behavior in a pure ferromagnetic Kondo lattice, Nature 579, 51-55 (2020).

文 | 周煒

圖 | 課題組 盧紹慶

編輯 | 周煒