說到量子，很多人腦海中第一印象就是“薛定諤的貓”。實際上，量子的主要表現(xiàn)形式——量子糾纏和量子隧穿存在于不同的物理體系中，而量子材料就是其中的一類重要載體。量子材料中的電子關(guān)聯(lián)和量子效應(yīng)可以誘導(dǎo)新型電子集體行為，產(chǎn)生新穎的量子態(tài)或者宏觀量子現(xiàn)象，而實現(xiàn)對量子態(tài)的調(diào)控與操縱是現(xiàn)代量子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)。那么，在絕對零度時量子態(tài)是否會發(fā)生相變？量子糾纏會導(dǎo)致哪些新穎的量子行為？
浙江大學(xué)關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心和物理學(xué)系袁輝球教授團隊一直深耕這一領(lǐng)域的研究。他帶領(lǐng)團隊首次在純凈的重費米子化合物中發(fā)現(xiàn)鐵磁量子臨界點，并且觀察到奇異金屬行為。這一發(fā)現(xiàn)打破了人們普遍認(rèn)為鐵磁量子臨界點不存在的傳統(tǒng)觀念，并且將奇異金屬行為拓展到鐵磁量子臨界材料中。
這項研究于北京時間3月5日在國際頂級雜志《自然》在線發(fā)表。浙江大學(xué)物理學(xué)系博士生沈斌和張勇軍為論文共同第一作者，浙江大學(xué)關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心/物理學(xué)系袁輝球教授、校百人計劃研究員Michael Smidman博士以及羅格斯大學(xué)/倫敦大學(xué)的Piers Coleman教授為共同通訊作者。袁輝球教授為該項目的負(fù)責(zé)人，設(shè)計并領(lǐng)導(dǎo)了整個項目。
絕對零度下的相變
自然界中存在各種各樣的物質(zhì)，絕大多數(shù)都以固、液、氣三種形態(tài)存在。人們通常稱物質(zhì)體系中具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)的均勻聚集體為一種相。隨著外界條件的改變，如溫度或者壓強的變化，物質(zhì)的狀態(tài)可以從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相，這個過程稱為相變。例如，水加熱變成水蒸氣，或者降溫結(jié)成冰，這些都是相變。
在經(jīng)典的物理體系中，相變的產(chǎn)生往往由熱漲落所驅(qū)動，可以由普適的理論來描述。那么，在熱力學(xué)絕對零度（0開爾文，約等于零下273.15攝氏度），熱漲落已經(jīng)被完全抑制，量子物質(zhì)是否還會發(fā)生相變？
雖然絕對零度不可實現(xiàn)，為何科研人員仍執(zhí)著于低溫極限下的物理研究呢？隨著溫度降低，組成物質(zhì)的原子或者分子的熱運動被逐漸凍結(jié)，量子漲落效應(yīng)開始占主導(dǎo)作用，從而誘導(dǎo)一些全新的量子態(tài)或者量子臨界現(xiàn)象，例如零電阻的超導(dǎo)就是一種宏觀量子現(xiàn)象。在外加非溫度參量的調(diào)控下，如果物質(zhì)體系在零溫時經(jīng)歷一個連續(xù)的二級相變，從一種量子有序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔訜o序態(tài)，則存在一個量子臨界點。當(dāng)今凝聚態(tài)物理中的許多重要科學(xué)問題，如高溫超導(dǎo)及奇異金屬行為等都可能與量子臨界性相關(guān)。
量子相變示意圖
磁性量子相變是研究最為廣泛的一類量子相變。鐵磁體與反鐵磁體就像一對性格迥異的雙胞胎，是研究得最多的磁性材料。在鐵磁體中，電子的自旋朝同一方向有序排列，比如都向上或者都向下，因此磁性較強，最常見的鐵在室溫常壓下就是一種鐵磁體，而在反鐵磁體中，電子的自旋是反向交替排列的，導(dǎo)致凈磁矩為零。
隨著溫度升高，磁性材料通常會在某一溫度發(fā)生磁性相變，其電子自旋經(jīng)歷有序--無序轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致材料失去磁性。這類磁性相變?nèi)詫儆诮?jīng)典相變，有較好的理論描述。那么，在外加非溫度參量的調(diào)控下，磁性相變是否可以被逐漸抑制而出現(xiàn)量子相變？鐵磁材料是否和反鐵磁材料一樣，存在量子臨界點？量子相變是否跟經(jīng)典相變一樣具有普適性？磁性量子臨界點附近有哪些新奇的量子現(xiàn)象？
發(fā)現(xiàn)鐵磁量子臨界點及奇異金屬行為
人們發(fā)現(xiàn)，反鐵磁量子臨界點廣泛存在于重費米子體系、鐵基超導(dǎo)體以及有機超導(dǎo)體等強關(guān)聯(lián)電子體系中。在磁場、壓力或摻雜等參量的調(diào)控下，這些材料中的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可以被逐漸抑制到零溫，并且在反鐵磁臨界點附近出現(xiàn)超導(dǎo)和奇異金屬行為。
在普通金屬中，電子間的庫倫排斥力較弱，其低溫物理現(xiàn)象可以通過朗道（諾貝爾物理獎獲得者）提出的費米液體理論來描述，如低溫電阻與溫度的平方成正比，電子比熱除以溫度是一個常數(shù)。然而，在銅基高溫超導(dǎo)體和部分反鐵磁重費米子材料中，人們卻發(fā)現(xiàn)其電阻與溫度成線性關(guān)系，比熱系數(shù)在零溫極限表現(xiàn)出發(fā)散行為。有觀點認(rèn)為，這些奇異金屬行為與反鐵磁量子臨界點附近自旋的量子糾纏有關(guān)。
當(dāng)然，人們對于鐵磁材料是否存在量子臨界點持有同樣的好奇。但是到目前為止，人們尚未找到其存在的確鑿證據(jù)。對于巡游鐵磁材料而言，國際上的理論與實驗研究普遍認(rèn)為鐵磁量子臨界點不存在：在外界參量調(diào)控下，鐵磁相變要么突然消失，要么轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁序等。唯有在無序效應(yīng)的作用下，鐵磁量子臨界點才有可能出現(xiàn)，但這是非本征的。另一方面，在簡單鐵磁體系中，由于自旋取向單一，不能形成量子糾纏態(tài)，因此有人認(rèn)為鐵磁體中不會出現(xiàn)奇異金屬行為。
研究至此似乎可以劃上句號了。但浙大袁輝球團隊不愿意放過任何一種可能性。從之前多年的研究經(jīng)驗出發(fā)，袁輝球認(rèn)為鐵磁還是有可能存在量子臨界點的，但是怎么證明呢？在仔細(xì)分析了同行們的研究過程后，研究人員決定從合適的材料體系入手。
CeRh6Ge4的晶體結(jié)構(gòu)及鐵磁性質(zhì)
經(jīng)過近10年的摸索，袁輝球團隊在嘗試了多種材料體系后，最近在重費米子材料CeRh6Ge4中取得重大突破。他們通過不斷優(yōu)化樣品制備條件，合成了高質(zhì)量的單晶樣品，再通過壓力的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)該體系中存在鐵磁量子臨界點！這是首次在一個純凈的鐵磁材料體系中發(fā)現(xiàn)量子臨界點存在的確鑿實驗證據(jù)，并且觀察到了與高溫超導(dǎo)體相似的奇異金屬行為：當(dāng)溫度趨于零度時，低溫電阻隨溫度線性變化，比熱系數(shù)隨溫度對數(shù)發(fā)散。這些實驗發(fā)現(xiàn)為研究鐵磁量子相變，揭示長期困惑人們的奇異金屬行為開辟了新的方向。
CeRh6Ge4：壓力-溫度相圖
能否觀察到鐵磁量子臨界點，袁輝球認(rèn)為有兩個關(guān)鍵的因素。首先是選對合適的材料體系，即具有各向異性的鐵磁材料，并且f電子帶有局域磁矩，這樣在鐵磁態(tài)中允許自旋糾纏態(tài)的出現(xiàn)。其次是制備出了高純度的單晶樣品并且通過壓力這一純凈的實驗手段進行調(diào)控。如果樣品或者調(diào)控手段不“干凈”，則很難說明這是材料的本征屬性，這也是該研究有別于先前工作的一個重要方面。
浙大團隊在形容他們制備的重費米子材料時說，“通俗地講，完美晶體中的原子是周期性排列的，沒有錯位，沒有雜質(zhì)，但實際材料往往有各種各樣的無序效應(yīng)影響材料的性質(zhì)。而在我們制備的CeRh6Ge4材料中，這些無序效應(yīng)的影響很小，并且壓力調(diào)控不額外引入無序效應(yīng)，整個實驗過程樣品近乎完美，相當(dāng)干凈”。
一種可能的物理圖像
袁輝球教授與美國羅格斯大學(xué)的 Piers Coleman教授合作，提出了一種可能的鐵磁量子相變模型。他們認(rèn)為，由于磁的各向異性，在鐵磁態(tài)中注入了一種具有量子糾纏效應(yīng)的自旋對，即自旋三重態(tài)共振價鍵（triplet resonating valence-bond (tRVB)），其占比隨壓力增加而增加。在鐵磁量子臨界點，由于近藤效應(yīng)的作用，與 tRVB 態(tài)相關(guān)的局域磁矩被分?jǐn)?shù)化而形成帶負(fù)電的重電子和帶正電的近藤單態(tài)背景，導(dǎo)致費米面突然增大和奇異金屬行為。
鐵磁量子相變的一種可能物理圖像
該理論支持鐵磁量子臨界點的存在，預(yù)言在量子臨界點出現(xiàn)費米面突變，并且可以合理解釋實驗上觀察到的比熱系數(shù)對數(shù)發(fā)散的奇異金屬行為。理論上，鐵磁量子臨界區(qū)域的tRVB態(tài)還有助于自旋三重態(tài)超導(dǎo)配對。不過，該理論仍有待進一步的探究和驗證。
十年磨一劍，基礎(chǔ)研究甘愿坐冷板凳
袁輝球表示，此項工作不僅為量子相變研究開辟了一個新的方向，并且將銅基高溫超導(dǎo)和反鐵磁重費米子材料中觀察到的奇異金屬行為延伸到了鐵磁體系。由于超導(dǎo)與量子相變常常有著非常緊密的關(guān)系，鐵磁量子臨界點的發(fā)現(xiàn)也可以促進相關(guān)超導(dǎo)的研究。
這是袁輝球加盟浙大后在《自然》上發(fā)表的第2篇論文。此前他還曾在《科學(xué)》《自然》等期刊上發(fā)文，報道其在反鐵磁量子相變、重費米子超導(dǎo)等方面取得的系列創(chuàng)新研究成果。
談及該項研究的經(jīng)歷時，袁輝球表示，尋找合適的材料體系、制備出高品質(zhì)單晶樣品、在極端條件下開展物性測量都非常具有挑戰(zhàn)性，項目研究不但周期長，而且費用高。在重重困難面前，袁輝球帶領(lǐng)團隊沒有退縮，他們咬定研究目標(biāo)，十年磨一劍，終于在鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)了這一重要現(xiàn)象。三名審稿人高度評價了這一成果，指出在純凈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，這毫無疑問是一項重要的實驗發(fā)現(xiàn)，為研究量子相變開辟了一個新的方向，有助于揭示奇異金屬行為的共同起源。
在采訪中，袁輝球說，重費米子體系具有豐富的物理內(nèi)涵，表現(xiàn)出奇特的量子現(xiàn)象，是研究演生量子態(tài)和量子相變的理想材料體系。重費米子研究對材料和實驗條件要求苛刻，但也會不時給學(xué)界帶來驚喜。據(jù)了解，袁輝球目前正承擔(dān)國家重點研發(fā)項目“重費米子體系中的演生量子態(tài)及其調(diào)控”的研究，該項目整合了國內(nèi)重費米子研究的主要力量，提升了我國重費米子研究的國際影響力。
科學(xué)研究唯有敢于挑戰(zhàn)，堅持做自己的事，才能實現(xiàn)突破并引領(lǐng)一個研究領(lǐng)域。袁輝球說：“我常常鼓勵團隊成員要能靜下心來，坐坐冷板凳，不要被科研領(lǐng)域的‘時髦風(fēng)’刮著跑，要堅持做自己看準(zhǔn)的科學(xué)問題”。
該項工作的參與單位包括浙江大學(xué)關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心和物理學(xué)系、美國羅格斯大學(xué)物理與天文系、德國馬普固體化學(xué)物理研究所和英國倫敦大學(xué)(Royal Holloway)物理系。項目獲得了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金委和科學(xué)挑戰(zhàn)計劃的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2052-z
（文 柯溢能 吳雅蘭 /攝影 盧紹慶 科研圖片由團隊提供）
