报道物理系铁基高温超导研究的最新成果,清华

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清华物理系张广铭教授课题组在量子拓扑相变理论方面取得重要进展


清华新闻网5月7日电 4月30日,清华大学物理系教授张广铭课题组近期在量子拓扑相变理论方面取得重要进展,在美国物理学会出版的国际权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,以“自对偶拓扑张量网络态中演生出无能隙库仑气体态”(Gapless Coulomb state emerging from a self-dual topological tensor-network state)为题,发表研究论文。此项研究揭示了二维量子拓扑物态基本的环面编码模型在电磁对偶路径上的新颖量子拓扑相变和临界行为,部分地回答了物理学中一个悬而未决的重要难题,并提供了完全解决该问题的新思路。

在自然界的三维空间中,微观粒子依据其自旋为整数或半整数被划分为玻色子与费米子,它们满足不同的统计规律。然而,在二维空间中,粒子的统计性质可以超越玻色和费米的统计规律,被诺贝尔物理奖得主维尔切克称为“任意子” (anyon)。凝聚态物理学大师安德森曾指出在量子阻挫磁性系统和铜氧化物高温超导中可能存在一类物态——量子自旋液体,其低能激发准粒子便表现出任意子的行为,准粒子间的相互作用由演生出来的电磁场来传递。这种量子液体的物理性质,已经超越了上个世纪中叶,由诺奖得主朗道、金兹伯格、威尔逊等人所创立的对称性自发破缺的理论范式。美国麻省理工学院的文小刚教授,在1990年代研究分数量子霍尔态时,指出了这类体系背后的物理本质是大量微观粒子由于强相互作用形成了一种新的有序——量子拓扑序。以往关于这种量子自旋液体的研究大多是基于量子场论的方法与数值计算,直到2003年,科塔耶夫(A. Kitaev)提出了一个二维严格可解的量子自旋模型——环面编码,毋庸置疑地诠释了其基态的拓扑性质和低能准粒子激发的任意子统计性质,首次提出此类系统可用于容错的量子计算,即拓扑量子计算。

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左图是二维量子拓扑物态 ( Toric Code ) 的基态相图,右图是该模型通过严格的量子--经典对应关系得到二维经典统计模型的相图。

环面编码模型等价于一个描述二维空间中最简单的离散化的电磁场理论,其低能激发包含的准粒子有:电荷e、磁通m、马约拉纳费米子f。虽然电荷与磁通各自满足波色统计,但是根据量子力学中的阿哈诺夫--伯姆(Aharonov-Bohm)效应,电荷围绕磁通量子一圈会产生一个π的相位,从而导致e与m之间出现一个超越常规波色与费米的任意子统计。与我们熟知的真空中的连续化的电磁理论不同,这是一个描述s波超导体的电磁理论:由于电荷对的凝聚,电荷守恒定律下降为电荷数奇偶性的宇称守恒,原本可连续变化的磁通量也被量子化为磁通量子。更为重要的是,这个简单的二维空间的电磁理论具有优美的电磁对偶性,即电荷与磁通互换,保持模型理论的形式不改变。环面编码模型在量子拓扑序的研究中,其地位堪比伊辛模型在统计力学中的地位,被广泛用作探索量子拓扑序的试金石。因而,彻底理解其量子相变的机制是建立普适的超越朗道范式的量子拓扑相变的基础。此前的研究主要阐明了电荷凝聚或者磁通凝聚的量子拓扑相变。然而,在电磁对偶的路径上,阿哈诺夫—伯姆效应却不容许电荷与磁通同时发生凝聚,其相变机制至今依旧是一个尚未解决的重大谜团。

受到诺贝尔物理奖得主拉福林用波函数来刻画分数量子霍尔拓扑物态的启发,清华大学物理系张广铭教授课题组另辟蹊径,从量子波函数的角度来探讨可能的量子拓扑相变的机制。他们借助于张量网络态的表示理论,构造了一个可调控的量子多体波函数,并发现可映射到一个二维严格可解的经典统计模型:阿什肯—特勒模型。借助于经典模型的严格解,发现环面编码模型中的量子拓扑态严格对应经典统计模型的“部分有序态”,并可以精准确定拓扑相变的临界位置和量子拓扑相变的微观机制。进一步研究还发现,在电磁对偶的调控路径上,量子波函数会经历一个量子的考斯特里兹—邵勒斯相变点,进入无能隙的库仑气体状态,其中电荷之间的屏蔽相互作用演变为长程的库仑相互作用,类似于从超导态到正常电子态的转变。这种库仑气体态在失去电磁对偶后即可发生电荷凝聚或者处于电荷禁闭相,由“退禁闭量子相变”理论刻画,也是超越朗道对称性自发破缺的相变普适类。需要指出的是,考斯特里兹--相变是刻画二维经典系统中的超越朗道相变范式的拓扑相变理论,是由大卫-邵勒斯和迈克尔-考斯特里兹在1973年提出的,并获得2016年诺贝尔物理奖。

论文的第一作者为张广铭教授指导的清华大学物理系2014级博士生朱国毅。该工作得到了科技部“国家重点研发计划”的支持。

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供稿:物理系

编辑:李华山

审核:周襄楠

《自然·物理》报道物理系铁基高温超导研究的最新成果


清华新闻网7月25日电 清华大学物理系助理教授李渭、陈曦教授和薛其坤教授在铁基高温超导体中条纹相的研究中获得了重要进展。利用低温扫描隧道显微镜他们对多层的硒化铁薄膜进行了系统的表征,发现该体系中的电子在其电荷自由度与其自旋自由度相互耦合,形成了全新的条纹相。这一发现实现了铁基高温超导体中条纹相的首次实验观测,以《硒化铁薄膜中向列性极限下的条纹相》(Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film)为题,在线发表在7月17日的《自然·物理》(Nature Physics)上。

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图a 单层硒化铁薄膜的形貌,“迷宫”样的条纹为向列相的畴界。

图b 在点缺陷周围可清楚的看到条纹相。

近五年来,高温超导研究最重要的进展之一是由清华大学物理系薛其坤教授团队开创的单层硒化铁/钛酸锶(FeSe/STO)界面高温超导电性的增强。单层硒化铁作为该体系的“母相”,受到越来越多的关注。在低温时单层硒化铁的旋转对称性被打破,其电子行为在正交晶格的两个方向表现出极大的不等价性(向列性,Nematicity),如:电阻的各向异性、不同轨道电子能带的大尺度劈裂以及实空间电子的二重对称性等等。而向列性与超导的关系也一直是研究的热点。单层硒化铁的另一重要性质是其长程磁有序的缺失,这是铁基高温超导母体中的一个特例。有趣的是,加压会使其长程反铁磁关联迅速恢复到铁基超导体中常见的“共线”(Collinear)磁有序态。该体系中电荷、轨道、磁性与超导的关联,使得单层硒化铁成为一个理想的研究平台,可用于揭示上述诸多复杂因素间的内在关系。

利用扫描隧道显微镜,李渭等人发现在单层硒化铁薄膜中晶格对称性被进一步破缺的区域,如:点缺陷周围、相畴界处,会诱导出单向的条纹状电荷密度调制(Stripe-type charge ordering)。值得注意的是,该调制对应全新的转变温度约60 K。这一特征温度低于单层硒化铁中向列序的相变温度125 K。该相形成于向列序转变温度以下,且单层硒化铁薄膜中向列序的强度远大于其在单层硒化铁单晶中的强度,因此条纹相极有可能是作为向列相的基态之一存在着,这一发现为铁基高温超导理论研究提供了全新的思路和出发点。

条纹相的周期与理论计算所预言的一个新的反铁磁态(条纹状反铁磁序,Stripy order)相一致。单层硒化铁被外延生长到STO衬底上会引入额外的拉应力,这样的调控可获得单层硒化铁压力相图在负压时的宝贵信息。结合之前正压力研究的结果,单层硒化铁的压力相图可表述为:在常压下,单层硒化铁中的“共线”反铁磁序与条纹状反铁磁序相互竞争,表现为长程磁有序的缺失;在正压下,“共线”反铁磁序在竞争中获胜;而在负压下,体系的关联性变强,条纹状反铁磁序在竞争中获胜,并在电荷通道诱导出电荷密度调制。该相图完美解释了单层硒化铁体系中主要的几个争论,为研究超导与磁的相互作用提供了重要信息。

这项研究的合作者还包括美国斯坦福大学的沈志勋教授、路东辉研究员和北京大学的张焱助理教授。文章的第一作者和通讯作者之一是清华大学的李渭助理教授,陈曦教授与沈志勋教授是该文章的共同通讯作者,张焱助理教授为该文章的第二作者。项目得到了国家自然科学基金委员会、科技部国家重点研发计划和北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。

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供稿:物理系 编辑:徐静

2008年10月7日北京时间下午5点45分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度的诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎(YoichiroNambu),以表彰他发现了亚原子物理中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构的小林诚(MakotoKobayashi)和京都大学的益川敏英(ToshihideMaskawa)分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少有3个夸克家族存在. 人类对对称性的兴趣可以追朔到远古时期.从古希腊文明到现在的日常生活,从美丽的雪花、达•芬奇的油画、各种漂亮的装饰图案、植物的花、叶,到令人惊叹的建筑物如鸟巢、水立方等,人们无时无刻不在感受着对称性带来的美感.对称性是指如果一个操作或变换使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态,或者说系统的状态在此操作或变换下不变,我们就说该系统具有对称性.例如,一个呈现六角图案的雪花,当旋转60o时,人们看到的形状与旋转前是完全一样的,我们就说该图案具有6重旋转对称性;对正常的人体来说,则具有明显的镜面反射对称性等.对称性描述的数学语言是19世纪由数学家建立起来的群论(grouptheory).在20世纪,群论作为一个有力工具在物理学研究中得到了重要而广泛的应用,并由此导致了许多重大的科学发现和物理理论的建立,如狭义相对论,质子、中子、正电子和其他一些基本粒子的发现,标准模型,弱作用中的宇称不守恒等,这些成果均获得了诺贝尔物理学奖. 现在知道,物理学中的对称性意味着守恒律的出现.当系统由于某种原因失去了原有的对称性后,一定会进入到另一个与以前完全不同的状态,这就是对称性破缺的概念.例如,当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时,两个小孩分坐两端,在静止状态下,跷跷板保持水平状态,达到平衡;当一个小孩离开后,跷跷板失去平衡,有小孩的一端着地,另一端则必然上翘,使原来的水平状态被打破,原有的对称性就发生了破缺.又比如,水是各向同性流动的液体,水分子在水中沿各个方向运动皆可,但当温度下降到零度以下时,水结成了冰,水分子在冰中按一定的择优方向排列,形成了冰的几何结构,对称性降低,不再保持原来水中各向同性的对称性,即发生了对称性破缺. 对称性破缺是贯穿凝聚态物理始终的一个重要的基本概念.在凝聚态物理学中,对称性的破缺就意味着有序相的出现.例如,水结成冰后,水分子在冰中的分布比在水中更有序.另一个典型的例子是铁磁性材料,人们有时俗称为吸铁石或磁石,在这类材料中,由于磁性原子之间的交换作用,使之具有自发磁矩,对外呈现出磁性,称为磁有序;但当温度升高到一个临界温度以上时,磁性原子的磁矩在热运动的作用下呈现出混乱的排布,导致铁磁性材料失去磁性,这个状态称为顺磁性,在没有磁场时,其磁矩排布是一种无序状态.在顺磁状态下,磁矩分布杂乱无章,具有较高的对称性,在居里温度以下时,磁矩朝某一个方向择优分布,出现磁有序,对称性随之降低,原有的对称性发生破缺,出现了有序相,对外显示出磁性.这种对称性的缺失无需外来的激励,称为对称性自发破缺(spontaneouslysymmetrybreaking),因此,铁磁有序相的出现必然伴随着对称性的自发破缺. 凝聚态物理中另一类重要的材料是超导体,即在某一临界温度以下,这类材料处于超导态,会失去电阻,呈现零电阻特性,同时对磁场具有排斥作用.超导材料表现出的性质称为超导电性.超导材料在电力传输、低温制冷、磁悬浮运输、高能粒子加速器、储能、精密测量、微波器件、逻辑元件等领域具有广阔的应用前景.目前铜氧化物高温超导体的临界温度已达到160K左右,并已经在很多领域得到了大量的实际应用.超导态也是一个对称性自发破缺的态.1957年,美国3位物理学家JohnBardeen,LeonCooper和RobertSchrieffer对超导电性的起源给出了令人信服的解释,现在被称之为BCS超导电性理论,并于1972年获得诺贝尔物理学奖.该理论指出,两个具有相反动量和相反自旋的电子通过与晶格振动相互作用可以结成电子对,称为Cooper对,超导电性来源于这些电子对在动量空间中的凝聚,超导态是Cooper对的凝聚态.由于Cooper对破坏了原来电子-声子系统满足的U规范对称性,因此,超导态是一个U规范对称性自发破缺的态,在其激发谱中有一个能隙.BCS理论在基本粒子物理、核物理、宇宙学等学科中有重要的应用. BCS理论出现以后,Nambu想要去理解超导态中的规范对称性是如何破缺的,探讨其中是否还蕴藏更深层次的道理.结果他花了大约两年的时间,利用量子场论的框架,推导出了BCS理论的结论.通过考虑对顶角的辐射修正,他发现超导态中的规范不变性仍然存在,表征规范不变性的Ward恒等式可以建立,只是以非线性的方式来实现.这样,超导态中的所有计算都可以在规范不变下进行,从而发现了在场论表述下的对称性自发破缺.Nambu在对BCS理论的处理中,发现存在着一个具有零能量和动量的态,称为无质量的声子,当把库仑场考虑进去以后,这些无质量的声子就变成了有质量的等离激元. 1960年,Nambu提出在基本粒子的量子场论中也存在着对称性自发破缺,通过引入某种未知场的真空期望值,与超导态相类比,建立了强相互作用理论.在假定手征对称性具有很小的明显破缺时,发现π介子有一个小的质量,比其他尺度小得多,并推导出了表征轴矢量、π介子衰变常数以及π介子与核子间耦合的GT关系,计算出了π介子与核子间的散射截面,发现与实验符合.π介子是一个复合粒子,当对称性没有明显的破缺时,该复合粒子就变成了无质量的.J.Goldstone利用标量场做了类似的计算,得到了真空期望值,发现能谱中也有一个无质量的粒子,现在被称作Nambu-Goldstone玻色子.在基本粒子理论中,手征对称性是整体对称的,而整体对称性的破缺会导致出现无质量的粒子;在超导电性理论中,对称性是规范不变的,这会导致有质量的态出现.1964年,F.Englert,R.Brout,以及P.W.Higgs分别提出了相对论规范理论,他们发现自发破缺的规范对称性没有产生一个无质量的粒子,而是给出了一个有质量的标量态,现在被称为Higgs玻色子,它是迄今为止在实验上尚未观测到的唯一的标准模型粒子.2008年9月10日,在欧洲核子中心开始运行的大型强子对撞机,有希望提供实验证据证实Higgs粒子存在与否(LHC运行9天后,由于连接加速器中两个磁体间的电路出现问题,导致机械故障,引起液氦泄露,现在正在抢修,预计2009年能重新运行).随后,Nambu及其合作者提出了强相互作用的基本理论应该是基于SU规范群的非阿贝尔规范理论.非阿贝尔规范理论是由杨振宁和RobertMills于1954年首先提出的,现在被称为Yang-Mills理论,已经成为人们统一自然界电磁、弱、强和引力四种相互作用中前三种作用的数学基础.2000年,美国Clay数学研究所悬赏100万美元奖金征集四维时空中量子Yang-Mills方程的解,时值今日该问题尚未破解.Gerhard’tHooft和MartinusVeltman证明了即使规范对称性自发破缺,非阿贝尔规范理论也是可重整化的.杨振宁和Nambu等人的工作引发了一系列有关非阿贝尔规范理论的后续的重大发现,如电弱理论、渐进自由、量子色动力学、夸克混合等.

高温超导中电子有序态和与超导态的关联是当前热点研究课题,对理解高温超导机制有重要意义。中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根与合作者,从引力全息对偶的角度在该领域的研究取得了进展,研究人员构建了一个平移对称性自发破缺的全息超导模型,给出了伴随电荷密度波和流密度波等电荷有序态的非均匀超导相,在理论上为实现和研究库珀对密度波(pair density wave)提供了新视角。近日,相关研究成果发表在《物理评论快报》上。

蔡荣根与美国里海大学博士李理、兰州大学教授王永强和荷兰莱顿大学教授Jan Zaanen合作,从有效场论角度出发,构建了库珀对密度波的全息模型。通过解析和数值方法得到了自发破缺空间平移对称性和U规范对称性的带毛黑洞解,包括一维的条纹相和两维的晶格相。这些新颖的带毛黑洞对偶描述了无外磁场情况下库珀对密度波以及其诱导出的电荷密度周期性调制,揭示了低温有序态独特的互相交织的行为可能根植于量子临界金属强烈的纠缠性质。同时,模型预言了宇称的自发破缺,这与最近高温超导中的实验观测一致。该模型在理论上为实现和研究强关联情况下的电子有序态及其与超导相的关系,提供了新的视角。

研究工作得到了国家自然科学基金项目和中科院前沿科学重点研究项目的支持。

高温超导作为一个强关联量子多体系统对传统的固体量子理论提出了严峻挑战。高温超导的典型特征是存在各种不同自由度的有序态与超导态紧密交织在一起,阐明这些电子有序态的起源及其与超导态的关联对于理解高温超导机制具有重要意义。其中一个研究热点是库珀对密度波,(既使在没有外磁场情况下)库珀对密度在空间上出现周期性调制,进而诱导电荷周期性分布,形成电荷有序态。

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左图和右图分别给出了从全息模型得到的棋盘格状的超导凝聚和电荷密度的空间调制,其中箭头代表自发流密度的分布。

引力波的直接探测进一步检验了爱因斯坦广义相对论。但它与量子场论并不自洽,建立一个自洽的量子引力理论仍是理论物理学家的最大梦想,它对理解诸如宇宙早期物理和黑洞内部结构等重要问题极其重要。引力全息性质的研究对于揭示引力的本质属性和构建引力的量子理论意义重大,近年来,重要的进展是从超弦理论发展起来的引力/规范对偶。该对偶在强耦合量子多体体系和经典引力之间建立了对应关系,进而为研究强耦合系统提供了有力工具,成为引力和相关领域的国际前沿课题。

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