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关联电子系统研究对象与前沿简介

 

固体物理已经建立起来的范式是单电子近似的能带理论加上描述弱相互作用电子系统(费米子系统)低能激发行为的费米液体理论,它们在区分和解释绝缘体、半导体、金属和它们的物理性质上取得了巨大的成功。但是把包含大量电子和原子实构成的固体系统看成单电子在周期势场中的运动,这中间做了巨大的物理简化。几乎在能带理论建立起来的同时,人们就注意到有些材料的物理行为不能由单电子近似的理论给予解释。例如,依据能带理论,CuO, NiO应是良导体,而实际上它们是绝缘体。上世纪五十年代以来人们发现众多的固体系统,其行为均不能由单电子理论给予解释。人们认识到这是由于这些系统中电子间的库仑排斥较强,一个电子的运动状态与另外电子的运动状态存在关联,从而使得单电子近似不能成立。人们把这些必须考虑电子间库仑关联的物理体系统称为强关联电子系统。

在强关联电子系统中,电子间的库仑排斥(特别是同一格点的库仑排斥)使得电子的局域性增强,而源于电子云(或电子轨道)交叠引起的电子迁移或巡游性则变弱。由于电子巡游性与局域性的竞争,强关联电子体系会呈现出许多不同的电子状态和丰富多彩的物理性质,并且往往是电子间相互作用的微弱变化或电子填充的少许改变会使得其基态及低能激发性质有明显不同。众多强关联体系中存在的电荷有序和磁有序、具有能隙的自旋或电荷激发行为、各种类型的金属--绝缘体转变、金属状态的非Fermi液体特征等等,都是这种竞争导致的结果。对于强关联电子系统,目前尚没有系统的理论能给予描写和处理,而要对具体的物理问题选用直接考虑计及了某种相互作用的模型哈密顿量,看它们在一定条件下的计算结果与实际体系的性质进行比较。探索强关联电子系统非同寻常的物理性质并对其机理进行理论解释是目前凝聚态物理研究中最具挑战性的前沿领域。

广义上讲,强关联电子系统包含的范围十分广泛。但下面一些系统和科学问题受到人们更特别的关注。

1)过渡金属化合物中的量子多体性质

过渡金属化合物材料包含有众多新奇的量子合作现象,诸如(高温)超导、巨磁电阻、电荷与自旋密度波、量子相变、以及多种类型的金属-绝缘体转变等等。对于很多过渡金属化合物,不仅要考虑电子携带的电荷和自旋,还要考虑在晶体电场作用下不同轨道电子的效应。电荷、自旋、轨道以及晶格自由度之间可能存在复杂的相互作用。过渡金属化合物中除了近二十年来受到广泛研究的铜氧化物高温超导体和锰氧化物巨磁电阻材料之外,另外一些体系如钌氧化物(如(Ca,Sr)2RuO4体系)、钴氧化物(如NaxCoO2系统),钛和钒的氧化物等等也极受关注,它们具有各不相同、复杂的电子相图。其原因是由于这些不同系统中,电荷、自旋、轨道所起的支配作用不同,导致系统处于完全不同的量子涨落态或是长程有序态。

2)重费米子体系

自1975年报道第一个重费米子金属CeAl3以来,至今已发现低温电子比热系数g大于或接近于400mJ/mole.K2的重费米子金属十种以上。我们知道,一般金属如Au、Ag、Cu的g只在1 mJ/mole.K2 左右。由于g正比于电子费米面态密度,或正比于电子有效质量m*,大的g值意味着重的电子有效质量。多数重费米子金属都含有Ce或U原子,它们的f电子是局域的并有净磁矩。低温下,f电子与传导电子杂化而导致态密度急剧增大。同时,又因交换作用,f电子的自旋与周围传导电子的自旋方向相反,从而磁矩被部分抵消。在重费米子金属中,存在RKKY相互作用与Kondo相互作用的竞争,前者是局域磁矩之间通过极化的传导电子云而发生的间接交换相互作用,后者是局域磁矩与周围传导电子的直接交换相互作用。在低温下,两种相互作用竞争的结果,使重费米子金属有多种基态:磁有序态、超导态、费米液体态和非费米液体基态等。另外重费米子体系中还存在着很多“hidden order”的相变,如URu2Si2在17K附近发生相变,但其低温有序相长期未被认识清楚。这些有序和量子涨落态的发现,对现有理论提出严重挑战。

除了常规的4f或5f稀土元素的重费米子材料之外,近几年发现一些过渡金属氧化物(如LiV2O5)同样具有典型的重费米子特性。还有相当数量的过渡金属化合物具有中等程度的电子有效质量增强,它们与Mott绝缘体附近的反常金属态联系在一起,成为关联电子系统常见的物理现象。对它们的研究系统已成为重电子体系物理研究的一个重要方面。

3)有机导体中的复杂现象

有机导体(特别是低维电荷转移盐)也是传统强关联电子体系的重要研究对象。与上述d电子或f电子体系类似,关联有机导体系统同样会表现出复杂的带宽或填充控制的金属-绝缘体转变、电荷密度波相变、电荷有序、超导电性等等丰富多体量子现象。受到广泛关注的体系包括一维线性链体系(TMTTF)_2X(常称为Bechgaard盐)、二维ET(BEDT-TTF)分子构成的电荷转移盐(ET)_2X电荷转移盐为例,它是由施主的ET分子层和受主的阴离子层交替堆积而成。可以导电的是ET分子层,阴离子层是绝缘层。对于同一阴离子,依ET分子相互排列的不同,ET盐可形成众多不同的物相。例如,对I_3阴离子,已报导有9种不同的相a, b, g, d, x, h, e, kq相。在这些物相中多数呈现磁性绝缘体,b, k, q, g相在低温下有超导电性。受到较多关注的是k相和q相。k相中两个ET分子二聚化成分子对(dimer),是二维半满的强关联电子体系,其性质随压力变化,呈现丰富的相图。k相中具有目前 有机超导体中最高的超导转变温度13K。对q相的ET盐,导电层的ET分子是线性链状排列,分属不同链的两相邻ET分子呈q角度。理论计算表明它们间的电荷转移积分t_p比在同一链中的两相邻ET分子的电荷转移积分t_c要大,因而体系仍呈二维行为,并且t_p随q角度的增大而减小。q相的ET盐能带是1/4满,依能带理论应为导体,但它们常常会在某一温度发生电荷有序相变,使得电阻率突跳几个量级。另外施加压力使得q角度增大也改变其导电性。支配其性质变化的 显然是电子有效带宽(主要由t_p决定)与关联强度的竞争。

4)结构(磁性)失措系统

近年来量子磁性阻挫系统受到了人们越来越多的关注,它们中由于各种量子涨落的竞争导致很多新的现象。实验上研究最多的是具有烧绿石(A2B2O7)和尖晶石(AB2O4)晶格结构的三维磁性阻挫系统,如自旋冰、自旋玻璃等现象受到极大关注。改变结构中A位或B位的元素,可使其中的自旋关联减弱,其它的有序相如电荷与轨道有序,甚至费米液体、超导电性可能出现。目前人们认识到,对于许多这类结构系统,电子轨道的占据、简并和有序对其奇异的量子现象起了重要作用。另一个受到广泛关注的系统是阻挫的二维三角格子系统。由于NaxCoO2体系丰富物理性质和掺水后超导电性的发现,对二维三角格子系统的研究正在不断加强。磁性阻挫体系对量子多体理论提出了严重挑战,需要人们提出新的物理概念和原理,建立能描述包括量子涨落在内的新的多体理论。

5)量子相变与量子临界现象

量子相变是在接近绝对零度时, 量子系统随着外参量的变化, 其基态从一种关联(有序)的状态到另一种关联状态的转变。零温下的量子相变点是物质基态相图中的一个奇异点,其重要意义在于控制着有限温度的大片量子涨落区域,表现出一系列完全不同于普通金属的热力学和动力学输运性质,即所谓的量子临界现象或非费密液体行为。量子临界现象人们解释部分强关联电子体系低温下的奇异金属态或新物质态提供一种新的微观图象。

 

     强关联电子系统会展现出大量的新奇量子现象和包含有如此众多的前沿科学问题,使得它们成为凝聚态物理最具活力的研究领域,深刻推动着学科的发展。

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最近更新时间:2016.11.17 15:30
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