电子关联与多体物理

重费米子

/ HEV-ee FER-mee-on /

想象你试着在齐腰深的水里奔跑。你的腿没有变,可你会觉得自己重得多、慢得多,因为水黏着你、拖住你的每一个动作。现在再想象那阻力大到你感觉自己有真实体重的一千倍。某些晶体里的一些电子感受到的正是这个——它们运动起来,仿佛比一个正常电子重上几百倍。

这些材料常常是含铈或铀的化合物,里面排着一行行定域的磁性原子,浸在一片可流动的电子之海中。通过近藤效应的一种集体版本,每个可流动的电子都跟磁性原子纠缠得如此之深,以至于它无论走到哪儿都得拖着一团沉重的关联云。结果就是一个有效质量极大的准粒子——所以叫「重费米子」,因为电子属于一类被称作费米子的粒子家族。

它之所以重要,是因为它们属于已知最强关联的金属之列,其中许多在低温下会滑入奇异的超导或反常的磁性,因而成为研究关联的珍贵实验室。要诚实地补一句:这些电子并不是真的变重了——它们底层的质量是固定不变的。表现得仿佛很重的,是那个被「打扮」过的准粒子。

在化合物CeCu2Si2中,传导电子表现得像比自由电子重约一千倍的准粒子——这是通过测量金属吸收多少热量得出的。也正是这种材料,在1979年成为人们发现的第一个「非常规」超导体,它让所有人惊讶:原来强关联与超导竟能如此并存。

在CeCu2Si2中,电子准粒子表现得比自由电子重约一千倍。

这里说的「质量」是有效质量——它衡量准粒子有多不情愿加速,是从热容和其他测量里推断出来的。极大的有效质量标志着剧烈的关联,因为它意味着电子被自身的相互作用厚厚地「打扮」了一层。

又称
heavy-fermion compound重费米子材料重費米子材料