费米表面（虚线）和 P 之间的带和贝里曲率分布 ΔΩ（k） 的差值phase 和 P方形晶格模型 （A） 和 Kagome 晶格模型 （B） 的相位（彩图）。来源：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.106504
由莱斯大学 Qimiao Si 领导的一项新研究揭示了一类新的量子临界金属，揭示了量子材料中电子的复杂相互作用。该研究于 9 月 6 日发表在《物理评论快报》上，探讨了近藤耦合和手性自旋液体在特定晶格结构中的影响。
“从这一发现中获得的见解可能会导致在量子关键系统的独特特性的驱动下开发具有极高灵敏度的电子设备，”Harry C. 和 Olga K. Wiess 物理学和天文学教授兼莱斯极端量子材料联盟主任 Si 说。
量子相变这项研究的核心是量子相变的概念。正如水在固体、液体和气态之间变化一样，量子材料中的电子可以随着环境的变化而在不同相之间移动。但与水不同的是，这些电子遵循量子力学的规则，导致行为复杂得多。
量子力学引入了两个关键效应：量子涨落和电子拓扑。即使在热波动消失的绝对零度处，量子涨落仍然会导致电子组织发生变化，从而导致量子相变。这些跃迁通常会导致极端的物理性质，称为量子临界性。
此外，量子力学赋予电子与拓扑学相关的独特特性，拓扑学是一个数学概念，当应用于电子态时，可以产生不寻常且可能有用的行为。
该研究是由 Si 的小组与该研究的合著者、维也纳理工大学物理学教授 Silke Paschen 及其研究团队长期合作进行的。他们一起开发了一个理论模型来探索这些量子效应。
理论模型研究人员考虑了两种类型的电子：一些移动缓慢，就像堵车的汽车，而另一些则在快车道上快速移动。尽管缓慢移动的电子看起来是静止的，但它们的自旋可以指向任何方向。
“通常，这些自旋会形成一个有序的模式，但它们在我们的模型中所在的晶格不允许如此整齐，从而导致几何上的挫败感，”Si 说。
相反，自旋形成一种更流体的排列，称为量子自旋液体，它是手性的，并在时间上选择一个方向。当这种自旋液体与快速移动的电子耦合时，它具有拓扑效应。
研究小组发现，这种耦合还会触发向近藤相的转变，在这个阶段，慢速电子的自旋会锁定在快速电子的自旋上。该研究揭示了电子拓扑和量子相变之间复杂的相互作用。
通常的电力运输当电子通过这些跃迁时，它们的行为会发生巨大变化，尤其是它们导电的方式。
Paschen 说，最重要的发现之一是霍尔效应，它描述了电流在外部磁场的影响下如何弯曲。
“霍尔效应包含一个由电子拓扑启用的组件，”她说。“我们表明，这种效应会突然跨越量子临界点。”
对未来技术的影响这一发现促进了我们对量子材料的理解，并为未来技术开辟了新的可能性。Si 说，研究小组发现的一个重要部分是霍尔效应对量子相变做出了巨大反应。
“多亏了拓扑结构，这种响应发生在微小的磁场中，”他说。
这些不寻常的特性可能会导致新型电子设备的开发，例如具有极高灵敏度的传感器，这可能会彻底改变医疗诊断或环境监测等领域。
该研究的合著者包括中国安徽大学的丁文欣（Wenxin Ding），他是莱斯大学斯教授小组的前博士后研究员，以及莱斯大学校友、加州州立大学的 Sarah Grefe '17。
更多信息：Wenxin Ding et al， Anomalous Hall Effect and Quantum Criticality in Geometrically Frustrated Heavy Fermion Metals， Physical Review Letters （2024）.DOI：10.1103/PhysRevLett.133.106504。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.1507.07328
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
