清华大学低维量子物理国家重点实验室成员、高等研究院姚宏研究员及其博士生在非传统(超越朗道)量子相变研究中取得进展。

       强相互作用多体系统的量子相变点是现代凝聚态物理中最重要且最具有挑战性的研究方向之一。朗道-金兹堡理论通过序参量提供了对相变的经典描述，当系统足够接近相变点时，大尺度和低能量的序参量涨落主导了相变附近的物理特性，此时系统可以通过序参量的连续场论来描述。结合威尔逊的重整化群理论，这种复杂且精致的朗道-金兹堡-威尔逊相变理论在理解多体系统的二阶相变中取得了巨大成功，其中包括超导体、密度波态和电子液晶态。但是近年来，超越朗道-金兹堡-威尔逊理论的量子相变点吸引了凝聚态物理学家的持续关注，其中一个特别有趣的方向是发现朗道判据所禁止的量子临界点。

       最近，高研院姚宏和他的三位博士生首次提出了违反了朗道立方判据的一类新颖量子临界点。根据朗道立方判据，当朗道-金兹堡自由能包括有限的序参量立方项时，其相变必然是一阶相变。但该论文提出，即使在朗道-金兹堡自由能包含序参量立方项的情况下，无能隙的费米子与序参量的耦合可以使系统发生二阶量子相变，而非一阶相变，我们把这种二阶量子相变称为费米子诱发的量子临界点[fermion-induced quantum critical point (FIQCP)]。更明确地说，该论文具体研究了二维狄拉克半金属(比如graphene)与Kekule价键固体[valence bond solid (VBS)]之间的量子相变，描述这种相变的朗道-金兹堡自由能包括序参量立方项，论文作者的重整化群理论分析表明立方项可以被重整到零，使得朗道立方判据预言的一阶相变因为无能隙的狄拉克费米子的涨落而转变到二阶相变，即费米子诱发的量子临界点(见下图)。

      为了验证在重整化群理论分析中获得的费米子诱发的量子临界点，姚宏和学生们设计了蜂窝晶格上的费米子微观模型来实现狄拉克半金属和Kekule价键固体之间的相变，并应用他们最近提出的Majorana方法使得该模型的量子蒙特卡罗模拟没有费米符号问题。通过大尺度的无费米符号问题Majorana量子蒙特卡罗模拟，该论文得到了令人信服的数值证据，表明狄拉克半金属和Kekule价键固体之间的相变是二阶连续相变。值得注意的是，从重整化群理论分析得出的临界指数与量子蒙特卡罗数值模拟中获得的相关临界指数吻合，这强烈地表明这种新颖的费米子诱发的量子临界点是鲁棒的，使得其可能在未来的实验体系中被发现。

      该研究成果以“Fermion-induced quantum critical points”为题，于2017年8月22日发表在《自然•通讯》杂志(Nature Communications 8, 314 (2017)),清华大学高等研究院博士生李自翔、蒋易凡和简少恺是文章共同第一作者，姚宏研究员为通讯作者。该研究工作得到了低维量子物理国家重点实验室自主科研基金、国家重点研发计划项目“二维新型量子体系的设计、调控和原型器件探索”和国家自然科学基金的支持。

      文章全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00167-6.pdf