說(shuō)到量子，很多人腦海中第一印象就是“薛定諤的貓”。實(shí)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(lèi)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)零度時(shí)量子態(tài)是否會(huì)發(fā)生相變？量子糾纏會(huì)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(tuán)隊(duì)一直深耕這一領(lǐng)域的研究。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次在純凈的重費(fèi)米子化合物中發(fā)現(xiàn)鐵磁量子臨界點(diǎn)，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(diǎn)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(xiàng)研究于北京時(shí)間3月5日在國(guó)際頂級(jí)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(jì)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(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，設(shè)計(jì)并領(lǐng)導(dǎo)了整個(gè)項(xiàng)目。
絕對(duì)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(chēng)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(qiáng)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(gè)過(guò)程稱(chēng)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(dòng)，可以由普適的理論來(lái)描述。那么，在熱力學(xué)絕對(duì)零度（0開(kāi)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(huì)發(fā)生相變？
雖然絕對(duì)零度不可實(shí)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(yùn)動(dòng)被逐漸凍結(jié)，量子漲落效應(yīng)開(kāi)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(shí)經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)的二級(jí)相變，從一種量子有序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔訜o(wú)序態(tài)，則存在一個(gè)量子臨界點(diǎn)。當(dāng)今凝聚態(tài)物理中的許多重要科學(xué)問(wèn)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(lèi)量子相變。鐵磁體與反鐵磁體就像一對(duì)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(qiáng)，最常見(jiàn)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(huì)在某一溫度發(fā)生磁性相變，其電子自旋經(jīng)歷有序--無(wú)序轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致材料失去磁性。這類(lèi)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(diǎn)？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(diǎn)附近有哪些新奇的量子現(xiàn)象？
發(fā)現(xiàn)鐵磁量子臨界點(diǎn)及奇異金屬行為
人們發(fā)現(xiàn)，反鐵磁量子臨界點(diǎn)廣泛存在于重費(fèi)米子體系、鐵基超導(dǎo)體以及有機(jī)超導(dǎo)體等強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中。在磁場(chǎng)、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(diǎn)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(kù)倫排斥力較弱，其低溫物理現(xiàn)象可以通過(guò)朗道（諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）提出的費(fèi)米液體理論來(lái)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(gè)常數(shù)。然而，在銅基高溫超導(dǎo)體和部分反鐵磁重費(fèi)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(diǎn)認(rèn)為，這些奇異金屬行為與反鐵磁量子臨界點(diǎn)附近自旋的量子糾纏有關(guān)。
當(dāng)然，人們對(duì)于鐵磁材料是否存在量子臨界點(diǎn)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(duì)于巡游鐵磁材料而言，國(guó)際上的理論與實(shí)驗(yàn)研究普遍認(rèn)為鐵磁量子臨界點(diǎn)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(wú)序效應(yīng)的作用下，鐵磁量子臨界點(diǎn)才有可能出現(xiàn)，但這是非本征的。另一方面，在簡(jiǎn)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(huì)出現(xiàn)奇異金屬行為。
研究至此似乎可以劃上句號(hào)了。但浙大袁輝球團(tuán)隊(duì)不愿意放過(guò)任何一種可能性。從之前多年的研究經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，袁輝球認(rèn)為鐵磁還是有可能存在量子臨界點(diǎn)的，但是怎么證明呢？在仔細(xì)分析了同行們的研究過(guò)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(guò)近10年的摸索，袁輝球團(tuán)隊(duì)在嘗試了多種材料體系后，最近在重費(fèi)米子材料CeRh6Ge4中取得重大突破。他們通過(guò)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(guò)壓力的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)該體系中存在鐵磁量子臨界點(diǎn)！這是首次在一個(gè)純凈的鐵磁材料體系中發(fā)現(xiàn)量子臨界點(diǎn)存在的確鑿實(shí)驗(yàn)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(shí)，低溫電阻隨溫度線性變化，比熱系數(shù)隨溫度對(duì)數(shù)發(fā)散。這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)為研究鐵磁量子相變，揭示長(zhǎng)期困惑人們的奇異金屬行為開(kāi)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(diǎn)，袁輝球認(rèn)為有兩個(gè)關(guān)鍵的因素。首先是選對(duì)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(guò)壓力這一純凈的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行調(diào)控。如果樣品或者調(diào)控手段不“干凈”，則很難說(shuō)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(gè)重要方面。
浙大團(tuán)隊(duì)在形容他們制備的重費(fèi)米子材料時(shí)說(shuō)，“通俗地講，完美晶體中的原子是周期性排列的，沒(méi)有錯(cuò)位，沒(méi)有雜質(zhì)，但實(shí)際材料往往有各種各樣的無(wú)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(wú)序效應(yīng)的影響很小，并且壓力調(diào)控不額外引入無(wú)序效應(yīng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guó)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(duì)，即自旋三重態(tài)共振價(jià)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(diǎn)，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(fèi)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(diǎn)的存在，預(yù)言在量子臨界點(diǎn)出現(xiàn)費(fèi)米面突變，并且可以合理解釋實(shí)驗(yàn)上觀察到的比熱系數(shù)對(duì)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(duì)。不過(guò)，該理論仍有待進(jìn)一步的探究和驗(yàn)證。
十年磨一劍，基礎(chǔ)研究甘愿坐冷板凳
袁輝球表示，此項(xiàng)工作不僅為量子相變研究開(kāi)辟了一個(gè)新的方向，并且將銅基高溫超導(dǎo)和反鐵磁重費(fèi)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(diǎn)的發(fā)現(xiàn)也可以促進(jìn)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(bào)道其在反鐵磁量子相變、重費(fèi)米子超導(dǎo)等方面取得的系列創(chuàng)新研究成果。
談及該項(xiàng)研究的經(jīng)歷時(shí)，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(kāi)展物性測(cè)量都非常具有挑戰(zhàn)性，項(xiàng)目研究不但周期長(zhǎng)，而且費(fèi)用高。在重重困難面前，袁輝球帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)沒(méi)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(píng)價(jià)了這一成果，指出在純凈的重費(fèi)米子材料中觀察到鐵磁量子臨界點(diǎn)和奇異金屬行為，這毫無(wú)疑問(wèn)是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為研究量子相變開(kāi)辟了一個(gè)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(shuō)，重費(fèi)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(fèi)米子研究對(duì)材料和實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，但也會(huì)不時(shí)給學(xué)界帶來(lái)驚喜。據(jù)了解，袁輝球目前正承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“重費(fèi)米子體系中的演生量子態(tài)及其調(diào)控”的研究，該項(xiàng)目整合了國(guó)內(nèi)重費(fèi)米子研究的主要力量，提升了我國(guó)重費(fèi)米子研究的國(guó)際影響力。
科學(xué)研究唯有敢于挑戰(zhàn)，堅(jiān)持做自己的事，才能實(shí)現(xiàn)突破并引領(lǐng)一個(gè)研究領(lǐng)域。袁輝球說(shuō)：“我常常鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員要能靜下心來(lái)，坐坐冷板凳，不要被科研領(lǐng)域的‘時(shí)髦風(fēng)’刮著跑，要堅(jiān)持做自己看準(zhǔn)的科學(xué)問(wèn)題”。
該項(xiàng)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(guó)羅格斯大學(xué)物理與天文系、德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所和英國(guó)倫敦大學(xué)(Royal Holloway)物理系。項(xiàng)目獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委和科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)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(tuán)隊(duì)提供）
