《PRL》重磅：證實近藤絕緣體存在電中性費米面

在凝聚態物理學的世界里，金屬和絕緣體被清晰地劃分為兩大陣營：金屬擁有導電的自由電子，其熱力學和輸運性質由費米面（Fermi Surface,FS）決定；絕緣體則在費米能級附近打開了一個能隙，在低溫下電阻率趨于無窮大，且不應存在費米面。然而，一類被稱為“近藤絕緣體”（Kondo Insulators,KI）的強關聯材料，尤其是十二硼化鐿（YbB??），卻以其矛盾的性質，對這一經典范式提出了嚴峻挑戰。

YbB??在低場和低溫下表現出典型的絕緣體行為：其電阻率隨溫度降低呈指數增長，明確無誤地證明了電荷能隙的存在。但與此同時，它卻展現出多種“金屬性”跡象，包括非零的線性熱容（γT項）和高效的熱傳導。這種矛盾在強磁場下達到高潮：YbB??令人震驚地顯示出量子振蕩（Quantum Oscillations,QOs）現象。發表在PRL題為《近藤絕緣體YbB??熱容中的量子振蕩》的論文，通過對熱容這一“體相熱力學”量的精準測量，為這一奇異現象提供了最終和最可靠的證據，并提出了一個顛覆性的結論：在電荷能隙內部，存在著一個由電中性費米子構成的費米面。

近藤絕緣體的核心悖論與研究背景

近藤絕緣體是通過局域的f電子與傳導c電子之間的“近藤耦合”形成的。這種耦合在低溫下形成一個集體、相干的重費米子態，并在EF處打開一個狹窄的雜化能隙。從電學的角度看，這使其成為一個絕緣體。

然而，在YbB??中，物理學家們發現了以下關鍵矛盾：

1. 熱學金屬性：存在非零的線性熱容系數γ，這是費米液體理論的標志，意味著存在無能隙、可移動的激發態。同時，其熱導率κ即使在極低溫度下也保持非零，表明有高效的熱載流子。
2. 維德曼-弗朗茨定律的違反：金屬中，熱導率κ和電導率σ之間存在普適關系 (κ/(σT) = L?)。在YbB??中，由于σ趨近于零，這一比例被違反了高達10?倍，這無可辯駁地表明，負責輸運熱量的移動準粒子不攜帶電荷。
3. 輸運中的量子振蕩：此前已在磁阻 (SdH效應) 和磁化強度 (dHvA效應) 中觀測到QOs。QOs是朗道量子化的直接結果，需要一個尖銳的費米面。在一個公認的絕緣體中發現費米面的印記，是物理學上的重大難題。

熱容測量的決定性意義

正是第三個矛盾，即QOs的存在，引發了巨大的爭議。反對者認為，SdH和dHvA信號可能來源于材料表面（因為YbB??是拓撲近藤絕緣體的候選者）或內部殘留的金屬雜質。

論文的革命性之處在于，它首次在熱容 (C/T) 中觀察到量子振蕩。熱容是一個體相熱力學量，測量的是整個材料內部所有激發態存儲的總能量。

• 體相確認：振蕩信號直接出現在線性熱容系數γ項中，該項起源于整個體材料的能級密度。這有力地排除了信號僅由表面或微小雜質相驅動的可能性。
• 三重一致性：熱容中觀測到的QO頻率與此前在磁阻和磁化強度中觀測到的頻率完全一致。這種在三種截然不同的物理量（熱力學、輸運和磁學）中的一致性，提供了最具說服力的證據，證實了這是一種內稟、體相的物理現象。
• 與γ的關聯：振蕩的巨大振幅（約占零場γ的13%）與γ項之間的直接關聯，證實了被磁場量子化的正是那些形成線性熱容的、無能隙的、可移動的激發態。

結論：電中性費米子的費米面

該研究最終的物理學意義在于，它用實驗數據支持了“電中性費米子”的假說。

由于YbB??仍然是一個電絕緣體（電荷載流子有能隙），但又清晰地展現出費米面和高移動性的熱輸運，因此，這些被磁場量子化的準粒子必須是電中性的。它們在強關聯的近藤背景下產生，能夠高效地攜帶熱量，對磁場作出反應，但不攜帶電荷。

這篇論文的發現挑戰了量子振蕩是帶電電子獨有現象的傳統觀念。它表明在強關聯體系中，電子可以通過分數化解離成獨立的激發態——例如，解離成攜帶自旋的自旋子和攜帶電荷的空穴/電荷子。在這種情況下，電荷子可能被能隙限制，而自旋子（電中性費米子）則可能是無能隙且移動的，從而形成了電中性費米面。

總結

《近藤絕緣體YbB??熱容中的量子振蕩》這篇論文，通過其無可辯駁的體相熱力學證據，鞏固了YbB??作為一種奇異物質狀態的地位。它不僅解決了先前關于QOs來源的爭議，更將強關聯物理學的焦點引向了一個新的前沿：探索電中性費米子的費米面，以及在沒有傳統金屬的情況下費米液體行為是如何產生的。這一發現為理解拓撲物質、分數化激發和強關聯電子系統的復雜性打開了新的大門。