最近發(fā)表在《自然物理學(xué)》的一篇論文報告了一個非常有趣的現(xiàn)象，就是在一種叫做YbRh2Si2的重費米子化合物中，當(dāng)溫度降低到接近一個量子相變點時，電子的動力學(xué)會變得非常緩慢，就像它們在消失一樣。這種現(xiàn)象被稱為費米子的臨界減速，它是一個新穎的量子效應(yīng)，與我們通常所熟悉的玻色子的臨界減速有很大的不同。

為了理解這個現(xiàn)象，我們需要先了解什么是重費米子和量子相變。重費米子是一種由兩種不同類型的電子組成的復(fù)合準粒子，一種是自由運動的電子，另一種是被束縛在晶格中的電子。這兩種電子之間存在著一個叫做Kondo效應(yīng)的相互作用，它會使得自由電子和局域電子之間形成一個量子糾纏態(tài)，從而產(chǎn)生一個有效質(zhì)量很大的重費米子。重費米子有一個特征溫度叫做Kondo溫度，它表示了Kondo效應(yīng)的強度。當(dāng)溫度低于TK時，重費米子就會表現(xiàn)出一種叫做重費米液體的相態(tài)，它類似于普通金屬中的費米液體，但是具有更強的關(guān)聯(lián)效應(yīng)和更大的比熱容。(www.Ws46.com)

量子相變是一種發(fā)生在接近絕對零度時的相變，它不是由溫度引起的，而是由其他參數(shù)如壓力、磁場或化學(xué)成分等引起的。在量子相變點附近，系統(tǒng)會出現(xiàn)一些奇異的行為，比如非常規(guī)超導(dǎo)或反鐵磁序等。在重費米液體中，也可能發(fā)生量子相變，導(dǎo)致重費米子消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷臏柿Ｗ印＿@種量子相變被稱為重費米子崩潰，它是一種新型的費米型量子相變，與傳統(tǒng)的玻色型量子相變有本質(zhì)上的區(qū)別。

YbRh2Si2就是一種具有重費米液體和量子相變性質(zhì)的化合物。它在零磁場下有一個反鐵磁序相變點T_N≈70 mK，在這個溫度以下，Yb原子上的局域電子會形成一個反鐵磁序。當(dāng)施加一個小的磁場時，T_N會被抑制到零，并且出現(xiàn)一個量子臨界點，在這個點上反鐵磁序和重費米液體兩個相態(tài)具有相同的能量。在量子臨界點附近，系統(tǒng)會表現(xiàn)出一些異常的性質(zhì)，比如比例系數(shù)α和γ分別隨著溫度和磁場呈現(xiàn)出對數(shù)發(fā)散的行為，這意味著系統(tǒng)的電阻和比熱容會變得非常大。

這些性質(zhì)都是由于量子漲落引起的，但是具體的機制還不是很清楚。有一種可能的解釋是，重費米子在量子臨界點附近會發(fā)生崩潰，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的動力學(xué)變得非常緩慢。為了檢驗這個假設(shè)，作者使用了一種叫做太赫茲時域光譜的技術(shù)，它可以測量系統(tǒng)在太赫茲頻率范圍內(nèi)的介電函數(shù)和電導(dǎo)率。通過這種方法，他們可以直接探測重費米子的光譜權(quán)重和激發(fā)速率，從而揭示出重費米子的動力學(xué)性質(zhì)。

他們發(fā)現(xiàn)，在重費米液體相中，隨著溫度降低，重費米子的光譜權(quán)重先增加到一個峰值，然后下降到量子臨界點，并且在量子臨界點以下出現(xiàn)一個對數(shù)上升的行為。同時，重費米子的激發(fā)速率也隨著溫度降低而對數(shù)上升，表明系統(tǒng)越來越難以回到平衡態(tài)。這些結(jié)果與一個雙帶重費米液體理論相一致，該理論認為，在量子臨界點附近，重費米子會分裂為兩種類型的準粒子，一種是自由電子，另一種是局域電子。這兩種準粒子之間的相互作用會導(dǎo)致重費米子的崩潰和臨界減速。

這篇論文的主要貢獻是，它首次觀測到了費米子的臨界減速現(xiàn)象，并且提出了一個合理的理論模型來解釋它。這個現(xiàn)象不僅揭示了重費米液體和量子相變之間的深刻聯(lián)系，而且也為研究其他類型的費米型量子相變提供了一個新的視角。作者們認為，通過測量重費米子崩潰的臨界指數(shù)，可以將不同的費米型量子相變進行分類，類似于熱力學(xué)相變中的普適類。這是一個有待進一步探索的有趣領(lǐng)域。