[论文解读] Quantum Criticality and the Kondo Lattice

Qimiao Si|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2010

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文研究了Kondo晶格体系中的量子临界性，提出了一类新型的量子临界点——局域量子临界点，其特征为Kondo效应的破坏，导致非费米液体行为以及费米面从大到小的突然坍缩。该研究将此与传统的自旋密度波量子临界性进行对比，并讨论了其在重费米子金属和非传统超导性中的意义。

ABSTRACT

Quantum phase transitions (QPTs) arise as a result of competing interactions in a quantum many-body system. Kondo lattice models, containing a lattice of localized magnetic moments and a band of conduction electrons, naturally feature such competing interactions. A Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction among the local moments promotes magnetic ordering. However, a Kondo exchange interaction between the local moments and conduction electrons favors the Kondo-screened singlet ground state. This chapter summarizes the basic physics of QPTs in antiferromagnetic Kondo lattice systems. Two types of quantum critical points (QCPs) are considered. Spin-density-wave quantum criticality occurs at a conventional type of QCP, which invokes only the fluctuations of the antiferromagnetic order parameter. Local quantum criticality describes a new type of QCP, which goes beyond the Landau paradigm and involves a breakdown of the Kondo effect. This critical Kondo breakdown effect leads to non-Fermi liquid electronic excitations, which are part of the critical excitation spectrum and are in addition to the fluctuations of the magnetic order parameter. Across such a QCP, there is a sudden collapse of the Fermi surface from large to small. I close with a brief summary of relevant experiments, and outline a number of outstanding issues, including the global phase diagram.

研究动机与目标

• 理解竞争的Kondo作用与RKKY相互作用驱动量子相变的Kondo晶格体系中的量子临界性。
• 识别并表征一种超越朗道范式的新型量子临界点——局域量子临界点。
• 解释在临界点处Kondo效应破坏所导致的非费米液体激发的出现。
• 将理论预测与重费米子材料（如URu2Si2和YbAgGe）中的实验观测联系起来。
• 勾勒Kondo晶格的全局相图，并指出在量子临界性和超导性方面尚存的开放问题。

提出的方法

• 采用包含局域磁矩与传导电子的Kondo晶格模型，同时包含Kondo与RKKY相互作用。
• 应用Hertz-Millis有效场论来描述反铁磁序参量的量子临界涨落。
• 提出一种新的理论框架来描述局域量子临界性，其中Kondo效应在临界点处被动力学破坏。
• 通过Kondo耦合中的临界奇点分析Kondo屏蔽的破坏，从而导致非费米液体行为。
• 采用Kondo晶格的双重表示：一为局域moment与传导电子的耦合系统，另一为具有巡游电子的海森堡模型。
• 使用横向场伊辛模型作为教学原型，以说明通过非热控制参数调节量子涨落的量子临界性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子临界点处Kondo效应的破坏如何导致非费米液体电子激发？
• RQ2 局域量子临界性与Kondo晶格体系中传统的自旋密度波量子临界性有何区别？
• RQ3 费米面在Kondo破坏量子临界点处如何演化？其导致的大到小费米面转变的本质是什么？
• RQ4 在包含此类临界点的重费米子材料中，可预期哪些实验信号？
• RQ5 局域moment的量子涨落与传导电子耦合的量子涨落如何相互作用，从而塑造Kondo晶格的全局相图？

主要发现

• 识别出一种新型的量子临界点——局域量子临界点，其特征为Kondo效应的破坏，导致超越朗道范式的非费米液体行为。
• 在Kondo破坏临界点，费米面经历从大到小的突然坍缩，标志电子结构发生拓扑变化。
• 非费米液体激发作为临界谱的一部分出现，除反铁磁序参量涨落外还存在。
• 理论分析表明，Kondo单重态的形成是自发产生的，且可在临界点被破坏，从而产生独立于对称性破缺的临界奇点。
• 实验体系如URu2Si2和YbAgGe显示出潜在局域量子临界性的证据，但尚需进一步的低温测量验证。
• Kondo与RKKY相互作用的相互作用导致一个丰富的全局相图，包含磁序与量子无序态，可能与非传统超导性相关。