科研方向

重费米子材料,或重电子材料,特指这样一类材料,其中电子由于集体行为在低温下具有很高的有效质量,甚至可以超过质子的质量。重费米子现象一般出现在f电子体系,但也有部分的d电子重费米子材料。这些材料往往呈现出复杂多变的奇异多体行为,如非常规超导、非费米液体、新奇量子临界行为等等。重费米子研究导致了众多开创性的发现,如第一个非常规超导体、第一个自旋三重态超导体、第一个三维拓扑近藤绝缘体。重费米子物理是强关联电子研究的传统领域,超越了传统的朗道费米液体的理论范畴,对于探索电子复杂多体行为的物理规律具有非常重要的科学意义。本课题组围绕重费米子等强关联材料的理论和实验研究,探索强关联电子系统的基本性质,主要方向包括多电子系统中的演生现象、非常规超导机理、量子相变、量子临界区的准粒子行为、热电性质等等。迄今发表SCI论文100余篇,包括Nature 2篇,Nature子刊3篇,PNAS 6篇,PRL 11篇,以及综述文章ROPP 2篇等。

 

*多电子系统中的演生现象

一般材料中的单电子行为可以用传统的能带结构理论很好地描述。但是在强关联电子材料如重费米子、铜氧化物和铁基超导等,电子之间存在很强的相互作用,从而表现出集体行为的模式,典型的如超导、铁磁性等,这些集体行为具有不同于单电子行为的特征规律,是一种演生(Emergent)现象。如何理解这些集体行为的物理起源,并发展合适的描述方法,是强关联理论的核心问题。针对重费米子问题,我们发展了重费米子二流体理论,基于f电子巡游和局域的双重性,比较系统地解释了大量的重费米子实验结果;针对量子顺电体系,我们提出了量子电偶极液态的新概念。

 

*强关联材料的数值计算

基于单电子近似的第一性原理方法(DFT)为理解材料的能带性质提供了比较好的近似,而对于库仑相互作用比较强的d或f电子材料,必须进一步采用强关联的计算方法,正确处理电子之间的关联效应。相关的方法包括动力学平均场方法(DMFT)、量子蒙特卡罗方法(QMC)、密度矩阵重整化群方法(DMRG)等。发展合适的强关联数值计算方法,并将之与第一性原理能带计算结合起来,定量地理解实际强关联材料中电荷、自旋、轨道、晶格等多自由度的相互影响,是本课题组的长期研究方向。借助于强关联数值计算,我们提出了铜氧化物中的kink结构的一种多体物理机制;结合第一性原理与强关联计算,我们还系统地解释了锰氧化物中的庞磁阻效应等系列实验现象。

 

*热电性质的实验测量

1、在低温磁场以及压力下, 采用热或电输运手段研究各类电子关联现象。除常规电导率和热导率等测量外,还重点测量电和热霍尔效应,热电和能势特效应,以及热膨胀系数等。

2、极低温下量子临界行为的研究。重点是和电子输运的Wiedermann Franz法则破坏,非费米液体等有关的异常输运现象。

3、以近藤半导体为代表的各种强关联半导体,以及磁性半导体的异常输运行为研究,尤其关注其巨大热电,热磁等现象以及潜在应用。

Yi-feng Yang, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, P. O. Box 603, Beijing 100190, China

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