《PRL》重磅：證實(shí)近藤絕緣體存在電中性費(fèi)米面

在凝聚態(tài)物理學(xué)的世界里，金屬和絕緣體被清晰地劃分為兩大陣營(yíng)：金屬擁有導(dǎo)電的自由電子，其熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)由費(fèi)米面（Fermi Surface,FS）決定；絕緣體則在費(fèi)米能級(jí)附近打開了一個(gè)能隙，在低溫下電阻率趨于無(wú)窮大，且不應(yīng)存在費(fèi)米面。然而，一類被稱為“近藤絕緣體”（Kondo Insulators,KI）的強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料，尤其是十二硼化鐿（YbB??），卻以其矛盾的性質(zhì)，對(duì)這一經(jīng)典范式提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

YbB??在低場(chǎng)和低溫下表現(xiàn)出典型的絕緣體行為：其電阻率隨溫度降低呈指數(shù)增長(zhǎng)，明確無(wú)誤地證明了電荷能隙的存在。但與此同時(shí)，它卻展現(xiàn)出多種“金屬性”跡象，包括非零的線性熱容（γT項(xiàng)）和高效的熱傳導(dǎo)。這種矛盾在強(qiáng)磁場(chǎng)下達(dá)到高潮：YbB??令人震驚地顯示出量子振蕩（Quantum Oscillations,QOs）現(xiàn)象。發(fā)表在PRL題為《近藤絕緣體YbB??熱容中的量子振蕩》的論文，通過(guò)對(duì)熱容這一“體相熱力學(xué)”量的精準(zhǔn)測(cè)量，為這一奇異現(xiàn)象提供了最終和最可靠的證據(jù)，并提出了一個(gè)顛覆性的結(jié)論：在電荷能隙內(nèi)部，存在著一個(gè)由電中性費(fèi)米子構(gòu)成的費(fèi)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(guò)局域的f電子與傳導(dǎo)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(gè)集體、相干的重費(fèi)米子態(tài)，并在EF處打開一個(gè)狹窄的雜化能隙。從電學(xué)的角度看，這使其成為一個(gè)絕緣體。

然而，在YbB??中，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了以下關(guān)鍵矛盾：

1. 熱學(xué)金屬性：存在非零的線性熱容系數(shù)γ，這是費(fèi)米液體理論的標(biāo)志，意味著存在無(wú)能隙、可移動(dòng)的激發(fā)態(tài)。同時(shí)，其熱導(dǎo)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(dǎo)率κ和電導(dǎo)率σ之間存在普適關(guān)系 (κ/(σT) = L?)。在YbB??中，由于σ趨近于零，這一比例被違反了高達(dá)10?倍，這無(wú)可辯駁地表明，負(fù)責(zé)輸運(yùn)熱量的移動(dòng)準(zhǔn)粒子不攜帶電荷。
3. 輸運(yùn)中的量子振蕩：此前已在磁阻 (SdH效應(yīng)) 和磁化強(qiáng)度 (dHvA效應(yīng)) 中觀測(cè)到QOs。QOs是朗道量子化的直接結(jié)果，需要一個(gè)尖銳的費(fèi)米面。在一個(gè)公認(rèn)的絕緣體中發(fā)現(xiàn)費(fèi)米面的印記，是物理學(xué)上的重大難題。

熱容測(cè)量的決定性意義

正是第三個(gè)矛盾，即QOs的存在，引發(fā)了巨大的爭(zhēng)議。反對(duì)者認(rèn)為，SdH和dHvA信號(hào)可能來(lái)源于材料表面（因?yàn)閅bB??是拓?fù)浣俳^緣體的候選者）或內(nèi)部殘留的金屬雜質(zhì)。

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(gè)體相熱力學(xué)量，測(cè)量的是整個(gè)材料內(nèi)部所有激發(fā)態(tài)存儲(chǔ)的總能量。

• 體相確認(rèn)：振蕩信號(hào)直接出現(xiàn)在線性熱容系數(shù)γ項(xiàng)中，該項(xiàng)起源于整個(gè)體材料的能級(jí)密度。這有力地排除了信號(hào)僅由表面或微小雜質(zhì)相驅(qū)動(dòng)的可能性。
• 三重一致性：熱容中觀測(cè)到的QO頻率與此前在磁阻和磁化強(qiáng)度中觀測(cè)到的頻率完全一致。這種在三種截然不同的物理量（熱力學(xué)、輸運(yùn)和磁學(xué)）中的一致性，提供了最具說(shuō)服力的證據(jù)，證實(shí)了這是一種內(nèi)稟、體相的物理現(xiàn)象。
• 與γ的關(guān)聯(lián)：振蕩的巨大振幅（約占零場(chǎng)γ的13%）與γ項(xiàng)之間的直接關(guān)聯(lián)，證實(shí)了被磁場(chǎng)量子化的正是那些形成線性熱容的、無(wú)能隙的、可移動(dòng)的激發(fā)態(tài)。

結(jié)論：電中性費(fèi)米子的費(fèi)米面

該研究最終的物理學(xué)意義在于，它用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持了“電中性費(fèi)米子”的假說(shuō)。

由于YbB??仍然是一個(gè)電絕緣體（電荷載流子有能隙），但又清晰地展現(xiàn)出費(fèi)米面和高移動(dòng)性的熱輸運(yùn)，因此，這些被磁場(chǎng)量子化的準(zhǔn)粒子必須是電中性的。它們?cè)趶?qiáng)關(guān)聯(lián)的近藤背景下產(chǎn)生，能夠高效地?cái)y帶熱量，對(duì)磁場(chǎng)作出反應(yīng)，但不攜帶電荷。

這篇論文的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了量子振蕩是帶電電子獨(dú)有現(xiàn)象的傳統(tǒng)觀念。它表明在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中，電子可以通過(guò)分?jǐn)?shù)化解離成獨(dú)立的激發(fā)態(tài)——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(fèi)米子）則可能是無(wú)能隙且移動(dòng)的，從而形成了電中性費(fèi)米面。

總結(jié)

《近藤絕緣體YbB??熱容中的量子振蕩》這篇論文，通過(guò)其無(wú)可辯駁的體相熱力學(xué)證據(jù)，鞏固了YbB??作為一種奇異物質(zhì)狀態(tài)的地位。它不僅解決了先前關(guān)于QOs來(lái)源的爭(zhēng)議，更將強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理學(xué)的焦點(diǎn)引向了一個(gè)新的前沿：探索電中性費(fèi)米子的費(fèi)米面，以及在沒(méi)有傳統(tǒng)金屬的情況下費(fèi)米液體行為是如何產(chǎn)生的。這一發(fā)現(xiàn)為理解拓?fù)湮镔|(zhì)、分?jǐn)?shù)化激發(fā)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的復(fù)雜性打開了新的大門。