【研究成果】奇異金屬(strange metal)不奇異,解開凝態物理學界重要謎題之機制!

by Yang-Kuang Chao
688 觀看次數

撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖一、近藤效應與RKKY交互作用。

在凝態物理界中一直有一個關於「奇異金屬 (strange metal)」的謎團,許多量子材料在極低溫下並不遵從費米液體理論 (Fermi liquid theory),近日國立陽明交通大學電子物理系仲崇厚教授團隊解開稀土族磁性金屬化合物(magnetic rare-earth intermetallic compound)之奇異金屬形成機制,獲登國際頂尖期刊《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)[1]

費米液體理論與奇異金屬

蘇聯理論物理學家藍道(Lev Davidovich Landau)於1950年代所建立的「費米液體理論 (Fermi liquid theory)」,描述了普通金屬的基礎特性:在極低溫情況下(超導性尚未出現),其電阻率會隨著溫度的平方下降呈線性降低。而奇異金屬 (strange metal)則是一群不符合此原則的「非費米液體 (non-Fermi liquid)」。近三十年來,在高溫超導體、鐵基超導體、稀土族金屬與超導體當中皆有發現過奇異金屬現象,其電子之電荷與自旋 (spin)受量子力學擾動影響,使得這類材料隨溫度降低其電阻率呈現與溫度接近線性(quasi-linear-in-temperature)的方式下降,而比熱係數則以溫度的對數(logarithmic-in-temperature)方式上升 (在普通金屬中,比熱係數為一與溫度無關之常數)。

知其然而不知其所以然    找到理論研究的突破點

在凝態物理學界,「奇異金屬」即是個知其然而不知其所以然的有趣現象,而這正好成為仲崇厚教授研究團隊在基礎研究中一步步抽絲剝繭、建立機制模型的研究切入點。自2017年起,以dynamical large-N方法,結合二維晶格 (2D lattice)的Kondo–Heisenberg模型作為出發點,研究團隊以新穎的微觀理論計算模型試圖解釋此一難題。

稀土族金屬中的奇異金屬行為

量子臨界點 (quantum critical point)是量子不同相態之間的交叉點,在其附近可觀察到許多稀土族材料發生奇異金屬行為。而研究團隊發現奇異金屬現象產生背後的機制:因為稀土族材料中活躍的導電電子 (conduction electrons)以及不活躍的f-軌域侷限性電子 (local f-orbital electrons),乃系統處於這兩種電子之間所產生的兩種磁交互作用、相互競爭下不穩定的量子臨界點附近,於是發生奇異金屬現象。

其中一種磁性交互作用為導電電子與f-軌域侷限性電子之間的反鐵磁作用力 (或稱「近藤效應 (Kondo effect)」),另一種則為f-軌域侷限性電子與電子之間的反鐵磁 (anti-ferromagnetic,或稱RKKY)交互作用(如圖一)。而此局域不導電電子之RKKY交互作用,因並非方形晶格幾何排列而產生磁性阻挫(magnetic frustration),故可形成具有「短程磁有序 (magnetic short-ranged order)」的「自旋液體態 (spin-liquid)」。

奇異金屬態現象被理解為:近藤效應與自旋液體效應互相拉扯而出現之新穎量子臨界現象。其中最關鍵的因素是近藤效應之量子臨界擾動(quantum critical Kondo fluctuation),具電荷與自旋互相分離的特性(如圖二),以三種不同性質之粒子描述:電荷空穴子(charge holon)、自旋子(spinon)以及導電電子(conduction electron)。

圖二、近藤效應的量子臨界擾動 (quantum critical Kondo fluctuation) 三層結構示意圖。上層為近藤擾動之電荷空穴子(charge holon),中層為自旋液體中之自旋子(spinon),下層一般導電電子(conduction electron)。

上述三種粒子因近藤量子擾動而有交互作用,進而形成奇異金屬態。另外有趣的是研究團隊發現原本不穩定的量子態,在特殊對稱性下可成為穩定存在的「量子臨界相(態) (quantum critical phase)」 (圖三)。

圖三、奇異金屬相的示意圖。g定義為g ≡ JK/JH,近藤交互作用與RKKY交互作用之耦合常數大小。𝜅是個自由調控的參數。T表溫度。奇異金屬態發生於圖中的紅色區域。

稀土族「鈰鈀鋁 (CePdAl)」金屬化合物的奇異金屬態

研究團隊也因此解釋了2019年一篇刊登在《自然物理》(Nature Physics)關於鈰鈀鋁 (CePdAl)的奇異金屬性質[2]。也同時解釋了CePdAl中出現的兩種奇異金屬性質和穩定存在的量子臨界相。此一研究成功地解開這類材料中出現「奇異金屬相」的謎團,也對解開近30年來其他奇異金屬態形成之謎,向前邁進一大步。

量子糾纏謎題的新篇章

奇異金屬現象為電子之間高度量子糾纏的結果,透過量子臨界擾動進而產生的新穎物質狀態,積極投入基礎科學的研究有助於對量子力學世界的理解,透過理論的推演與實驗的觀測,一窺量子世界之精妙。此研究也是我國首度由獨立基礎理論物理團隊即刊登於PNAS之研究,極具指標,也更展現出我國的研究能量與實力。


參考文獻

[1] Jiangfan Wang, Yung-Yeh Chang, Chung-Hou Chung. A mechanism for the strange metal phase in rare-earth intermetallic compounds. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Volume 119(10) e2116980119 March 1, 2022. DOI: 10.1073/pnas.2116980119.

[2] H. Zhao et al., Quantum-critical phase from frustrated magnetism in a strongly correlated metal. Nat. Phys. 15, 1261–1266 (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0666-6.

你可能也想知道

X