铈基重费米子材料研究

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1975年，K. Andres等人测量了CeAl₃的低温输运性质。他们发现当温度低于0.2 K时，CeAl₃的电子比热系数比普通金属例如Al或者Cu的电子比热系数高两个量级。如此巨大的电子比热系数意味着CeAl₃中电子的有效质量是自由电子质量的近千倍。这一重要的发现标志着重费米子材料开始登上凝聚态物理的大舞台。自此之后，一系列新奇的重费米子化合物如雨后春笋般地涌现出来。目前已知的重费米子材料通常包括镧系元素(主要是Ce，Sm，Yb)，以及锕系元素(主要是U，Np，Pu)的金属间化合物，此外还有一些d电子体系。

在重费米子材料中，其价电子(4f或5f电子)往往表现得非常局域，而且电子-电子间存在着较强的库仑相互作用，再加上自旋、轨道、电荷、晶格自由度之间的相互耦合和相互竞争，这使得体系呈现出丰富多彩的物理特性，例如价态涨落与混价行为、量子临界现象、非费米液体行为、重费米子超导、非常规超导与(反)铁磁共存、隐藏序和拓扑表面态等等。重费米子材料具有巨大的电子有效质量，较窄的电子能带宽度和较小的特征能量尺度，其物理特性极易为外界温度、压力、磁场和化学掺杂所调控，因而是研究凝聚态物理系统的重要平台，也是揭示和理解强关联电子体系复杂行为的理想体系之一。无怪乎重费米子材料一直是凝聚态物理学家的宠儿，无论是在实验研究还是理论研究领域，都吸引了广泛的研究兴趣。

Ce基重费米子化合物是最为典型的重费米子材料，它们不仅数量大种类多，而且展现了许多奇异且反常的量子物理特性。虽然近年来Ce基重费米子化合物得到了相当多的关注与研究，但是我们对许多体系的了解仍然不够深入，还有很多问题尚待解决。例如：局域-巡游双重特性、非常规超导机制、复杂磁结构等。为此，我们开展了典型重费米子化合物CeIn₃和CeB₆的电子结构和物性的理论工作。

1  重费米子化合物CeIn₃在压力驱动下4f电子的局域-巡游转变

采用第一性原理计算，结合动力学平均场方法(DFT+DMFT)研究了重费米子化合物CeIn₃在压力驱动下电子结构的演化行为(见图1)，讨论了价态涨落现象(见图2)，指出4f电子的局域-巡游“交叉”转变过程中可观测物理量的变化，预言Ce-4f电子局域-巡游转变的压强范围，探讨了局域-巡游交叉转变机制。本工作不仅从电子结构随压力演化的行为定性地描述了Ce-4f电子局域-巡游的转变过程，而且从原子组态分布概率、Ce-4f电子占据数期待值、Ce-4f电子总角动量期待值，以及低能散射率等随压力的演化规律定量地给出Ce-4f电子局域-巡游转变的压强范围，为实验研究奠定基础。本工作所采用的动力学平均场计算方法还可以用于研究其它的重费米子体系(Ce-, Sm-, Yb-基变化合价材料)，甚至是锕系化合物(U-, Pu-, Am-)，为后续的Ce基重费米子体系的理论计算开辟了一条新路。

2  重费米子化合物CeB₆在温度驱动下的电子结构反常

结合密度泛函理论以及动力学平均场方法，深入研究典型重费米子化合物CeB₆的精细电子结构随着温度的演化规律，不仅重复出角分辨光电子能谱的实验结果(见图3)，而且发现电子组态分布和价态涨落在20 K的温度附近会出现反常特征，并且伴随着可观测量在20 K附近的奇异行为(见图4)。这些计算结果将有助于理解复杂磁结构和隐藏序，深入理解重费米子化合物的电子结构和物性，为实验研究提供指导。