一种新的非费米液体

什么是非费米液体

在物理学中，我们经常用费米液体理论来描述一些金属或半导体中的电子行为。费米液体理论的基本假设是，即使电子之间有相互作用，我们仍然可以把它们看作是一些准粒子，这些准粒子的性质和自由电子很相似，只是它们的质量、自旋和电荷可能有所不同。这样，我们就可以用类似于经典气体的方法来处理这些准粒子，只要考虑到它们遵循泡利不相容原理，即同一种准粒子不能占据同一个量子态。

费米液体理论非常成功地解释了许多金属或半导体的性质，比如电导率、热容、磁化率等。但是，也有一些物质，它们的电子行为和费米液体理论不符，这些物质就被称为非费米液体。非费米液体的特征是，它们的电阻或热容随温度的变化不符合费米液体理论的预测，而且它们的准粒子的寿命很短，不能被当作良好定义的粒子来处理。非费米液体的出现通常和电子相关效应有关，即电子之间的相互作用很强，或者电子的动能很小，导致它们的运动受到局域化或干涉的影响。

非费米液体是一种非常有趣的量子态，它可能和一些新奇的现象有关，比如高温超导、量子相变、拓扑绝缘体等。因此，探索非费米液体的物理机制和实现方法是物理学的一个重要课题。

什么是相关平带烧绿石晶格

发表在《自然物理》的一篇论文，作者发现了一种新的非费米液体，它是由一种特殊的晶格结构和电子相关效应共同作用产生的。这种晶格结构叫做烧绿石晶格，它是由四个相同的正四面体组成的，每个正四面体的顶点都是一个原子，而每个原子又和另外三个正四面体的顶点相连，形成一个三维的网状结构。这种结构具有很强的几何挫折，即原子之间的距离和排列方式不是最稳定的，导致它们的能量很高，而且很容易发生变化。

在这种烧绿石晶格中，如果有一种原子的价电子是d电子，那么它们就会形成一种特殊的能带，叫做平带。平带的意思是，这种能带的宽度很小，几乎可以忽略，也就是说，这种能带上的电子的动能很小，它们几乎是静止的。这是由于d电子之间的量子干涉效应造成的，即d电子从一个原子跳到另一个原子的概率会被相邻的原子所影响，从而使得它们的跳跃路径相互抵消，导致它们的运动受到抑制。

这种平带如果恰好在费米能级附近，那么它就会被部分占据，这样就会产生一种相关平带，即平带上的电子之间的相互作用很强，因为它们的动能很小，而且它们的空间分布很密集。这种相关平带就是非费米液体的来源，因为它会导致电子的性质和费米液体理论不一致，比如电子的有效质量会随温度变化，而且电子的寿命会很短，不能被当作准粒子来处理。

论文的主要发现

这篇论文的主要发现是，在一种具有烧绿石晶格的金属CuV2S4中，实验观察到了相关平带和非费米液体的行为。这种金属的晶格结构是由两种原子组成的，一种是铜原子（Cu），另一种是钒原子（V）。铜原子的价电子是s电子，而钒原子的价电子是d电子。铜原子形成了一个简单的立方晶格，而钒原子形成了一个烧绿石晶格，嵌套在铜原子的立方晶格中。这样，钒原子的d电子就会形成一个平带，而铜原子的s电子就会形成一个常规的能带。

作者使用了一种叫做角分辨光电子谱的技术，来测量这种金属的能带结构。这种技术的原理是，用一束高能的光子照射金属表面，使得金属表面的电子吸收光子后脱离金属，然后用一个探测器来测量这些电子的动能和发射角度，从而可以推断出它们原来在金属中的能量和动量，也就是能带结构。作者发现，这种金属的能带结构确实存在一个平带，而且这个平带恰好在费米能级附近，部分占据了一些电子，形成了一个相关平带。

作者还使用了一种叫做奴隶自旋（slave-spin）的理论模型，来解释这种金属的能带结构和电子相关效应。这种模型的思想是，把每个d电子分解为两个部分，一个是自旋，一个是电荷。自旋部分描述了d电子的局域化和干涉效应，而电荷部分描述了d电子的跳跃和相互作用效应。这样，就可以用一个有效的哈密顿量来描述这种金属的物理性质，而且可以用数值方法来求解这个哈密顿量。作者发现，这个模型可以很好地拟合实验观察到的能带结构，而且可以预测出这种金属的电阻和热容的温度依赖关系，与实验结果相符。

这些结果都说明，这种金属的电子行为和费米液体理论不一致，而是属于非费米液体的范畴。