量子相变行为研究论文

当一个二级相变通过非温度控制的外参量被连续压制到绝对零度附近时，体系会发生量子相变。发生量子相变的临界点，即量子临界点，是绝对零度条件下位于外参量轴上的一个点，通常可以通过调控压力、磁场等手段来获得。量子相变和有限温度下由热涨落控制的相变不同，其物理本质是基于海森堡不确定原理的量子涨落行为。量子相变在重费米子，非常规超导，量子自旋以及冷原子等不同系统中均得到了广泛深入的研究，是产生奇异集体激发模式和新物性的一个重要途径。尤其重要的是，量子临界点虽然产生于绝对零度附近，但是其相关的量子涨落却可以深刻地影响有限温度下的物理行为。很多非常规物理性质，包括高温超导，都可能和量子临界涨落有密切的关系。 重费米子材料是量子临界行为研究的理想体系。这类材料中，传导电子和局域f/d电子间能带杂化产生近藤效应，进而屏蔽局域磁矩。与此同时，局域磁矩间具有RKKY间接交换相互作用，导致磁矩安定化并趋于磁有序。这两个矛盾的物理过程在重费米子材料中相互竞争，产生量子临界现象，甚至非常规超导。另一方面，对于自旋阻挫效应的研究主要集中在绝缘的量子自旋体系，是凝聚态物理的另一个重要研究方向。在该类体系中，自旋阻挫引起的量子涨落会破坏长程磁有序，并可能导致绝对零度下的自旋液体等新奇物态。在具有金属行为的重费米子体系中引入自旋阻挫，将增强低温下的量子涨落，并和传导电子媒介的长程RKKY交换相互作用形成竞争。这时体系的量子临界行为会如何演变，是一个重要的基础物理问题。 近日，《自然-物理》杂志发表了中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX9组孙培杰研究员团队博士生赵恒灿，张佳浩等人和莱斯大学Q. Si教授以及马普所F. Steglich教授的合作研究成果。他们发现当重费米子体系的近藤晶格位于阻挫kagome格子时，通过磁场和压力调控，体系会产生一个在压力磁场相图上很宽的、安定的量子临界相。压力下的电阻率、磁化率和比热等测量表明，自旋阻挫导致的量子涨落是产生该量子临界相的主要原因。和其他各类材料中常见的量子临界点不同，相图空间上广域的量子临界相的发现预示着一个由量子涨落导致的稳定新物态的产生。同时，研究团队还发现该量子临界相具有非费米液体等奇异的物理性质。 《自然-物理》还同期发表了德国马普复杂系统物理研究所Aline Ramires博士应邀撰写的题为“Frustration can be critical”的评述文章，对该研究工作的物理意义进行了详细的评述。 上述研究得到了 科技 部（2017YFA0303100，2015CB92 130 3，2018YFA0305702），国家自然科学基金委（1 177 4404，1 147 4332，1 157 4377，1 187 4400），以及中国科学院（XDB07020200）的支持。参与该工作合作研究的还包括德国奥格斯堡大学的P. Gegenwart教授团队，日本富山大学的教授，物理所杨义峰研究员、陈根富研究员、程金光研究员和张帅副研究员等。相关论文近日在线发表于Nature Physics， 156 7-019-0666-6；同期发表的评述文章参考 156 7-019-0668-4。

据外媒报道，Lex Kemper是北卡罗莱纳州立大学的物理学副教授。他研究量子材料：这是一种具有奇特物理特性的固体材料，使它们在计算或能源应用中发挥作用。Kemper是最近发表在《自然-通讯》杂志上的一篇论文的合著者， 该论文描述了一种特殊的量子材料（Cerium tri-Telluride，即CeTe3）在超快激光脉冲作用下失衡时的相变。

该项目由密歇根州立大学的研究人员领导，另外还有来自西北大学和阿贡国家实验室的贡献者。Kemper解释了研究团队的发现，以及这一研究成果很重要的原因：

相变是物理学和化学的一个基本环节。例如，我们都熟悉水的不同相，但这种由粒子组成的系统改变它的样子和行为方式的想法在科学中真的无处不在。而虽然我们知道水变成冰的结果，但精确的过程会导致许多不同种类的冰：有时冰是透明的，而有时不是，而差异与你如何冻结它有关。因此，研究相变是如何发生的，可以告诉我们很多关于基本物理学的知识，以及关于双方的结果相。

在量子物理学层面，同样的想法也适用。当我们在临界温度上慢慢改变温度时，我们可以看到一个系统从一种状态到另一种状态的变化；例如，我们可以看到材料变得坚硬，就像我们可以看到冰的形成。但我们看不到原子水平上发生的细节。在这项工作中，我们能够克服这一点，并打开了一个窗口，了解原子如何在原子（皮秒）时间尺度上从系统的一个阶段重新排列到另一个阶段。

在这项特殊的工作中，我们研究了CeTe3。它是稀土三碲化物这一大类材料的一部分。如果你看一下它在高温下的原子结构，这种材料就像一张堆叠的方格网一样。随着温度的降低，方块变成了长方形。这种情况有两个方向（我们称它们为A和B），但材料只能选择一个方向。哪一个取决于偶然性--缺陷引起的材料中的局部应力和应变。

在实验中，我们用超短的强激光脉冲将系统短暂地从“A”的矩形状态中取出，并观察它是如何尝试“改造”的。由于对任何一个矩形状态都没有特别强的驱动力，系统同时形成了A和B两个矩形。当其中一个矩形（在皮秒原子时间尺度上）主导另一个矩形时，“错误”状态的小水坑就会留下，这些小水坑很难摆脱，并且会持续纳秒（100倍以上）。

这些结果告诉我们相变是如何发生的基本方面，材料的各个部分是如何相互“交谈”，使它们的原子对齐，从而使模式匹配，以及这一切发生的能量景观是什么。

当我们知道量子材料发生了什么，以及它们如何在原子水平上改变它们的状态时，我们就可以利用这些知识来开发新的更好的设备，比如核磁共振成像机，以及更好的计算机存储器。