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2018.02.7
<理學院學術成果>電物系仲崇厚教授建構之
微觀理論基礎成功解釋奇異金屬現象

學術成果,奇異金屬,微觀理論


<理學院學術成果>

 

電子物理系仲崇厚教授與博士生建構之微觀理論基礎成功解釋奇異金屬現象

理學院電子物理系仲崇厚教授與博士生張永業以及奧地利維也納理工大學(TU Vienna)實驗物理教授近期發表國際共同合作的研究論文成功地解釋了凝態物理界自2000年初的一個重要謎團: 即解釋了具磁性的過渡金屬化合物(transition metal compounds) 在磁場中普遍存在的一種不同於普通金屬的“奇異金屬” (strange metal)量子態的形成機制。這些自2000年初期於歐美頂尖實驗室(以德國Max-Planck Institute為首)發現的低溫“奇異金屬”態隨著溫度變化具有不同於普通金屬的電性和磁性,如: 電阻率與溫度呈線性關係, (普通金屬的電阻率在低溫下則與溫度的平方成正比),而比熱係數則與溫度呈對數(logarithmic)關係(普通金屬的比熱係數在極低溫下則與溫度無關),其形成原因已困擾凝態物理界多年。

 

仲教授與博士生自3年前即嘗試建構一新的微觀理論基礎,最近終於成功的解釋於參雜了鍺(Ge)的重費米子金属YbRh2Si2中所觀察到之奇異金屬現象,此類材料中具有兩種不同之電子:導電電子(c-electron)及局部不導電電子(f-electron). 仲教授發現此一現象之原因為系統處於兩種磁性交互作用相互競爭下不穩定的量子臨界點(quantum critical point)附近: 一種磁性交互作用為導電電子與局部不導電電子間反鐵磁作用力(或稱為 Kondo 效應),另一種則為局部不導電電子間反鐵磁交互作用(或稱為RKKY交互作用),因而, 奇異金屬態可以被理解為一種”量子臨界現象”,其理論成功的解釋了以Max-Planck 研究院之實驗物理學家為首針對此一材料所發表的兩篇重要的實驗論文: Nature 2003(Ref. 2)及 Phys. Rev. Lett. 2010(Ref. 3), 包含:電阻率與溫度之線性關係,及比熱係數與溫度之對數關係。

 

此篇剛發表的之長篇研究論文已受到此領域專家的普遍好評, 包括: Max-Planck Institute for chemical physics of solids 的前主任(former director) Prof. Frank Steglich (為首度發現重費米子超導體之國際知名實驗物理學家,也是Ref. 2 及Ref. 3 之共同作者) 的高度讚賞,仲教授也已在國際學術會議中多次針對此一成果發表演講,包括:Energy Material Nanotechnology (EMN) workshop in Vienna, Austria,June 18-23, 2017, RIKEN-Tsinghua-Asia-Pacific joint workshop in RIKEN, Japan, Dec. 7-8, 2017,與相關研究領域之學者分享此一學術成果。

論文全文連結: https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.035156

 

References

  1. Yung-Yeh Chang,, Silke Paschen,,and Chung-Hou Chung, Phys. Rev. B 97, 035156 (2018)
  2. J. Custers et al., Nature 424, 524 (2003)
  3. J. Custers et al., Phys. Rev. Lett. 104, 186402 (2010)

 

 

圖片說明: (a) Ge 參雜之過渡金屬化合物 YbRh2Si2 在溫度(T)與 磁場(B)下之量子相圖,橙色區域為”奇異金屬”態(SM),其電阻率與溫度呈線性關係,藍色區域為反鐵磁性(AF)普通金屬態或為Kondo效應下之普通金屬態(LFL),其電阻率則與溫度的平方成正比 (b) 量子臨界點附近Kondo效應與反鐵磁RKKY作用力之競爭關係。當磁場小於臨界值(g<gc) 時,系統處於反鐵磁主導之量子狀態(FL*),而當磁場大於臨界值(g>gc)時,系統處於Kondo效應主導之量子狀態(LFL)。紅色小球代表局部不導電電子(f-electron),藍色小球代表導電電子(c-electron)。