什么是非費米液體

在物理學(xué)中，我們經(jīng)常用費米液體理論來描述一些金屬或半導(dǎo)體中的電子行為。費米液體理論的基本假設(shè)是，即使電子之間有相互作用，我們?nèi)匀豢梢园阉鼈兛醋魇且恍?zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子的性質(zhì)和自由電子很相似，只是它們的質(zhì)量、自旋和電荷可能有所不同。這樣，我們就可以用類似于經(jīng)典氣體的方法來處理這些準(zhǔn)粒子，只要考慮到它們遵循泡利不相容原理，即同一種準(zhǔn)粒子不能占據(jù)同一個量子態(tài)。

費米液體理論非常成功地解釋了許多金屬或半導(dǎo)體的性質(zhì)，比如電導(dǎo)率、熱容、磁化率等。但是，也有一些物質(zhì)，它們的電子行為和費米液體理論不符，這些物質(zhì)就被稱為非費米液體。非費米液體的特征是，它們的電阻或熱容隨溫度的變化不符合費米液體理論的預(yù)測，而且它們的準(zhǔn)粒子的壽命很短，不能被當(dāng)作良好定義的粒子來處理。非費米液體的出現(xiàn)通常和電子相關(guān)效應(yīng)有關(guān)，即電子之間的相互作用很強(qiáng)，或者電子的動能很小，導(dǎo)致它們的運動受到局域化或干涉的影響。

非費米液體是一種非常有趣的量子態(tài)，它可能和一些新奇的現(xiàn)象有關(guān)，比如高溫超導(dǎo)、量子相變、拓?fù)浣^緣體等。因此，探索非費米液體的物理機(jī)制和實現(xiàn)方法是物理學(xué)的一個重要課題。

什么是相關(guān)平帶燒綠石晶格

發(fā)表在《自然物理》的一篇論文，作者發(fā)現(xiàn)了一種新的非費米液體，它是由一種特殊的晶格結(jié)構(gòu)和電子相關(guān)效應(yīng)共同作用產(chǎn)生的。這種晶格結(jié)構(gòu)叫做燒綠石晶格，它是由四個相同的正四面體組成的，每個正四面體的頂點都是一個原子，而每個原子又和另外三個正四面體的頂點相連，形成一個三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的幾何挫折，即原子之間的距離和排列方式不是最穩(wěn)定的，導(dǎo)致它們的能量很高，而且很容易發(fā)生變化。

在這種燒綠石晶格中，如果有一種原子的價電子是d電子，那么它們就會形成一種特殊的能帶，叫做平帶。平帶的意思是，這種能帶的寬度很小，幾乎可以忽略，也就是說，這種能帶上的電子的動能很小，它們幾乎是靜止的。這是由于d電子之間的量子干涉效應(yīng)造成的，即d電子從一個原子跳到另一個原子的概率會被相鄰的原子所影響，從而使得它們的跳躍路徑相互抵消，導(dǎo)致它們的運動受到抑制。

這種平帶如果恰好在費米能級附近，那么它就會被部分占據(jù)，這樣就會產(chǎn)生一種相關(guān)平帶，即平帶上的電子之間的相互作用很強(qiáng)，因為它們的動能很小，而且它們的空間分布很密集。這種相關(guān)平帶就是非費米液體的來源，因為它會導(dǎo)致電子的性質(zhì)和費米液體理論不一致，比如電子的有效質(zhì)量會隨溫度變化，而且電子的壽命會很短，不能被當(dāng)作準(zhǔn)粒子來處理。

論文的主要發(fā)現(xiàn)

這篇論文的主要發(fā)現(xiàn)是，在一種具有燒綠石晶格的金屬CuV2S4中，實驗觀察到了相關(guān)平帶和非費米液體的行為。這種金屬的晶格結(jié)構(gòu)是由兩種原子組成的，一種是銅原子（Cu），另一種是釩原子（V）。銅原子的價電子是s電子，而釩原子的價電子是d電子。銅原子形成了一個簡單的立方晶格，而釩原子形成了一個燒綠石晶格，嵌套在銅原子的立方晶格中。這樣，釩原子的d電子就會形成一個平帶，而銅原子的s電子就會形成一個常規(guī)的能帶。

作者使用了一種叫做角分辨光電子譜的技術(shù)，來測量這種金屬的能帶結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)的原理是，用一束高能的光子照射金屬表面，使得金屬表面的電子吸收光子后脫離金屬，然后用一個探測器來測量這些電子的動能和發(fā)射角度，從而可以推斷出它們原來在金屬中的能量和動量，也就是能帶結(jié)構(gòu)。作者發(fā)現(xiàn)，這種金屬的能帶結(jié)構(gòu)確實存在一個平帶，而且這個平帶恰好在費米能級附近，部分占據(jù)了一些電子，形成了一個相關(guān)平帶。

作者還使用了一種叫做奴隸自旋（slave-spin）的理論模型，來解釋這種金屬的能帶結(jié)構(gòu)和電子相關(guān)效應(yīng)。這種模型的思想是，把每個d電子分解為兩個部分，一個是自旋，一個是電荷。自旋部分描述了d電子的局域化和干涉效應(yīng)，而電荷部分描述了d電子的跳躍和相互作用效應(yīng)。這樣，就可以用一個有效的哈密頓量來描述這種金屬的物理性質(zhì)，而且可以用數(shù)值方法來求解這個哈密頓量。作者發(fā)現(xiàn)，這個模型可以很好地擬合實驗觀察到的能帶結(jié)構(gòu)，而且可以預(yù)測出這種金屬的電阻和熱容的溫度依賴關(guān)系，與實驗結(jié)果相符。

這些結(jié)果都說明，這種金屬的電子行為和費米液體理論不一致，而是屬于非費米液體的范疇。