超導(dǎo)的出現(xiàn)與材料中的結(jié)構(gòu)、磁或價(jià)態(tài)的不穩(wěn)定性密切相關(guān)。在這些不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的相變點(diǎn)附近存在強(qiáng)烈的熱或量子漲落，會(huì)引起電子配對(duì)產(chǎn)生超導(dǎo)。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中，非常規(guī)超導(dǎo)往往出現(xiàn)在零溫反鐵磁相變（量子臨界點(diǎn)）附近，表明非常規(guī)超導(dǎo)依存于磁性量子漲落。實(shí)驗(yàn)上對(duì)反鐵磁母體加壓／磁場(chǎng)或化學(xué)摻雜，往往可以在磁性相變點(diǎn)附近得到超導(dǎo)。但是并非所有反鐵磁體都可以通過(guò)這種方式成為超導(dǎo)。在重費(fèi)米子材料中，許多Ce基材料如CeRhIn5，CePt2In7在高壓下確實(shí)出現(xiàn)了超導(dǎo)，而幾乎所有Yb基材料如YbRh2Si2在磁性量子臨界點(diǎn)附近卻都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)，導(dǎo)致這一差別的物理原因尚不清楚。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）凝聚態(tài)理論與計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊義峰研究員與加州大學(xué)戴維斯分校的D. Pines教授合作，深入研究了重費(fèi)米子材料中的反鐵磁量子臨界行為，進(jìn)一步發(fā)展了重費(fèi)米子的二流體唯象模型，得到了一些有啟發(fā)意義的結(jié)果。重費(fèi)米子材料中由于局域自旋晶格與導(dǎo)帶電子的強(qiáng)烈耦合，目前無(wú)論是理論還是數(shù)值計(jì)算都無(wú)法很好處理。二流體模型將其唯象地簡(jiǎn)化為兩種流體的共存態(tài)：一種是被導(dǎo)帶電子部分雜化的自旋晶格，形成雜化自旋液體；一種是由導(dǎo)帶電子與晶格自旋漲落產(chǎn)生的復(fù)合重電子，稱為近藤液體，隨溫度演化遵從普適的標(biāo)度律。這一簡(jiǎn)化模型抓住了重費(fèi)米子物理的本質(zhì)，系統(tǒng)地解釋了大量先前無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果【Yang et al., PRL 100, 096404 (2008); Nature 454, 611 (2008); PRL 103, 197004 (2009); PNAS 109, E3060; E3067 (2012)】。
最近他們將此模型推廣到量子臨界現(xiàn)象的研究中，發(fā)現(xiàn)重費(fèi)米子材料在磁場(chǎng)下的行為可以用一個(gè)特征參量來(lái)表征。以零溫電阻系數(shù)A為例，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的量子臨界行為可以表示為，A~TL-α，其中TL是該磁場(chǎng)下電子從局域到巡游的轉(zhuǎn)變溫度，表征體系偏離量子臨界點(diǎn)的距離，TL=0處為量子臨界點(diǎn)。他們初步分析了CeCoIn5和YbRh2Si2兩種研究較多的材料，發(fā)現(xiàn)兩者雖然具有非常不同的量子臨界行為（CeCoIn5中α＝2，而YbRh2Si2中α=0.8），但其眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果如比熱、電阻等都可以在此理論下得到系統(tǒng)解釋，這就意味著二流體模型提供了理解重費(fèi)米子物理包括量子臨界現(xiàn)象的統(tǒng)一框架。并且與已往理論不同，在他們的模型中，α不但決定了量子臨界漲落區(qū)的普適標(biāo)度行為，也定量解釋了反鐵磁相變等物理量在有限溫度、壓力和磁場(chǎng)下的變化，表明該參量是決定材料磁性行為的關(guān)鍵物理參量，并且其量子臨界行為與電子或磁性結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因而將此模型應(yīng)用于更多其他材料，并與其電子或磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，或能澄清這些材料中不同的量子臨界現(xiàn)象和超導(dǎo)行為的物理根源。
這一研究得到了中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持，相關(guān)工作已發(fā)表于2014年6月的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
圖1. CeCoIn5的相圖，實(shí)線為理論曲線：(A) f電子局域－巡游轉(zhuǎn)變溫度TL隨磁場(chǎng)的變化；(B) 量子臨界點(diǎn)隨壓力和磁場(chǎng)的變化。
圖2. CeCoIn5的量子臨界行為，實(shí)線為理論曲線：(A) 零溫電阻系數(shù)；(B) 核磁共振自旋－晶格弛豫率。
圖3. YbRh2Si2的相圖，實(shí)線為理論曲線：(A) TL和反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度TN隨磁場(chǎng)的變化；(B) 量子臨界點(diǎn)隨壓力和磁場(chǎng)的變化，插圖為TN隨壓力的變化。
圖4. YbRh2Si2的量子臨界行為，實(shí)線為理論曲線：(A) 比熱和核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(B) 零溫電阻系數(shù)。
