重费米子超导是最早发现的非常规超导，虽然超导转变温度Tc普遍较低，一般只有1 K左右[目前最高为17.5 K（PuCoGa5）]，但是重费米子超导材料种类繁多，迄今已有40余种，涵盖多种类型的晶体和电子结构。

这些材料中存在异常丰富的奇异态，并且往往与超导相伴而生，其量子临界涨落是导致重费米子超导的诱因，但又与超导态形成竞争。这些独特性质源自重费米子物理的三个基本特征：一是重费米子为强关联电子体系，强关联电子的集体效 应为这些复杂多样的量子物态提供了平台；二是重费米子材料中具有多个能量尺度，包括局域近藤耦合、非局域交换作用、晶体场劈裂、自旋-轨道耦合等等，这些能量尺度大小相仿，体系位于几种作用相互竞争的临界区，细节上的微小差异可能导致电子性质上的显著区别；三是这些特征能量尺度都比较低，只有10 K的量级，可以比较容易地通过压力、磁场、化学替代等手段在实验室中进行调控，实现对各种不同量子基态的系统性研究。

因此，重费米子超导研究在过去三十多年间积累了丰富的实验数据［物理学报 64, 217401 (2015)］，但在理论上，由于材料的复杂性以及上述多种效应的竞争，一直缺乏广泛认可的深入研究。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚 态物理国家实验室（筹）的杨义峰研究员与加州大学戴维斯分校的D. Pines和N. J. Curro教授合作，对一类重费米子超导材料进行了系统分析，发现这些材料中的一些普适性质，提出了此类重费米子超导的一个简单的理论模型。他们所考虑的 材料均位于反铁磁量子临界点附近，包括CeCoIn5和PuCoGa5等，按照一般的想法，这类材料中的超导起源于自旋涨落诱导的电子配对。

为了研究自旋涨落的性质，他们分析了核磁共振（NMR）实验所测量的自旋-晶格弛豫率，发现在一个特征温度T*以下的很大的温度区间内，自旋-晶格弛豫率都具有普适的温度依赖行为，直到其他的竞争序出现才发生偏离（图1）。这一普适行为不倚赖于材料的细节，符合他们之前提出的重费米子二流体理论的预言。根据理论假设，这一结果表明这些材料在T*以下均出现很强的磁性量子临界涨落。进一步，他们发现这些材料的超导转变温度Tc与T*之间存在近似的标度关系，表明磁性量子临界涨落是决定超导转变温度的基本要素，是电子发生超导配对的诱因。［PRB 92, 195131 (2015)］

图1：几种重费米子超导中自旋-晶格弛豫率1/T1随温度的普适依赖行为，箭头标记低温下对普适行为的偏离

基于自旋涨落的超导模型曾广泛应用于铜氧化物超导的理论研究中，他们将之推广到重费米子材料，发现计算所得的Tc与传统的BCS公式形式相似，两者对比 表明T*发挥着类似传统BCS超导体中声子的德拜温度的作用。结合其他考虑，他们进而提出了重费米子超导Tc的一个唯象公式，认为Tc由T*和巡游电子态密度两个量决定，而这两个量均可以通过实验或理论获得。对CeCoIn5和CeRhIn5的分析表明，此唯象公式可以定量地拟合实验测量的Tc及其随压力呈现出的dome结构（图2），并且还有一个比较直观的物理解释：低压下，f电子随压力减小而更倾向于局域化，巡游性降低，导致Tc下降；而在高压下，f电子完全巡游，其巡游性随压力变大而增强，意味着电子的有效能带变宽，态密度降低，从而导致Tc随压力变大而下降。局域性和过度的巡游性均不利于超导，只有在量子临界点附近Tc最高，形成了Tc随压力变化的dome结构，这一结论体现在图3所示的普适相图中。由于Tc与T*成比例，而T*源自近邻局域f磁矩间的反铁磁相互作用，与铜氧化物等非常规超导材料类似，通过寻找具有更高反铁磁交换作用的材料，借助加压或化学替代或许有可能实现更高的Tc。［PNAS 111, 18178 (2014)］

图2：重费米子超导CeCoIn5和CeRhIn5压力-温度相图的拟合（实线）

图3：重费米子量子临界超导的普适相图，pQC为反铁磁量子临界点，f0反映局域f磁矩与导带电子之间的杂化强度

这一组研究工作为探索重费米子超导的机理提供了新的认识，为发展重费米子超导理论提供了一个唯象的基础。以上工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院基金项目的支持。

相关文章链接：

[1] Y. -F. Yang and D. Pines, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 18178-18182 (2014)
http://www.pnas.org/content/111/51/18178
[2] Y. -F. Yang, D. Pines and N. J. Curro, Phys. Rev. B 92, 195131 (2015)
dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.92.195131
[3] Y. -F. Yang and Y. Li, Acta Physica Sinica, 64, 217401 (2015)
http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/10.7498/aps.64.217401

中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，Email：yifeng@iphy.ac.cn

个人主页：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=1732

课题组主页：http://hf.iphy.ac.cn

主要研究方向：强关联电子系统的理论和数值研究

个人简介：

男，1981年出生于河南洛阳，现为Ex1i组组长，研究员，博士生导师。1997年入学北京大学物理系并获得学士和硕士学位，2003年起在德国马普固 态研究所学习并获斯图加特大学博士学位。2007年起先后在美国加州大学Davis分校物理系和Los Alamos国家实验室读博士后，2010年底回物理所工作，入选中科院“百人计划”，2013年获物理所“科技新人奖”，2015年开始在中国科学院大 学教授本科生“热学”课程，同年获得优秀青年科学基金。目前主要方向为强关联电子体系的理论和数值研究，已发表SCI论文30余篇，包括Nature 1篇，Nature Physics 1篇，PNAS 5篇，PRL 5篇。

过去的主要工作及获得的成果:

1、发展了重费米子体系的二流体理论
2、提出了重电子Fano干涉效应
3、提出了锰氧化物中的庞磁阻效应等实验现象的系统解释
4、提出了铜氧化物kink结构的一种强关联多体机制

目前的研究课题及展望:
我 的科研方向是强关联电子体系，通过理论和数值计算的方法来研究材料中大量电子由于彼此之间的很强的相互作用而导致的集体行为。这种集体行为不同于单个电子 的自由行为，出现了许多奇异的量子现象，如高温超导、量子临界行为（类似于黑洞，电子集体行为在临界点附近的时间尺度变慢）等等。历史上，对这些凝聚态系 统集体行为的研究为认识物理学的基本定律也曾提供了新的视角，如对超导的研究曾经导致了粒子物理Higgs机制的提出（2013年诺贝尔物理学奖）；现在 一些强关联的研究也导致了对广义相对论中时空结构的涌现的新的认识。因此从专业的角度来说，强关联电子的研究为认识功能材料的物性起源，进而设计新材料具 有指导意义；从更广泛的学科领域来说，有助于揭示物质量子行为的基本规律，实现对复杂物理规律的实验室层面的探测和调控。欢迎对此感兴趣的同学加入我的课题。

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