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在絕大部分金屬材料里，原子的內(nèi)層電子被束縛在帶正電的原子核周?chē)?，而外層電子往往距離原子核很遠(yuǎn)，加上內(nèi)層電子的屏蔽效應(yīng)，金屬中的外層電子大都是“自在奔跑”（稱(chēng)之為“巡游電子”）。正是由于大量巡游電子的存在，金屬才具有良好的導(dǎo)電能力。正常情況下，金屬中的巡游電子應(yīng)該是一個(gè)體型勻稱(chēng)的家伙，它的“有效質(zhì)量”(考慮到相互作用之后的理論質(zhì)量)和金屬外面完全獨(dú)立自由的電子質(zhì)量差異不大。但是，電子是費(fèi)米子，帶有1/2的自旋。電子自旋導(dǎo)致電子除了可以產(chǎn)生電荷(庫(kù)侖)相互作用外，還可以產(chǎn)生磁相互作用。假設(shè)把材料中一個(gè)個(gè)帶正電的原子實(shí)換成一個(gè)個(gè)的局域磁矩，那么電子的自旋同樣可以與之產(chǎn)生相互作用，造成的物理現(xiàn)象要遠(yuǎn)比常規(guī)金屬導(dǎo)電復(fù)雜(圖1)。

圖1：金屬中的巡游電子與局域磁矩

比如金屬中的電阻，一般隨著溫度的下降，電子受到原子熱振動(dòng)的干擾就越小，電阻也隨之下降。如果發(fā)生超導(dǎo)，電阻會(huì)在臨界溫度處突降為零；如果沒(méi)有超導(dǎo)，電阻會(huì)趨于一個(gè)有限大小的“剩余電阻”。那么，有沒(méi)有金屬(注意，不是半導(dǎo)體)電阻會(huì)在低溫下反而上升？開(kāi)爾文猜測(cè)電子在低溫下會(huì)被“凍結(jié)”而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)遲緩，使得電阻上升。量子力學(xué)告訴我們，“凍結(jié)”之說(shuō)是錯(cuò)的，因?yàn)殡娮邮琴M(fèi)米子，在低溫下它們無(wú)法被“籠絡(luò)”在一起，也就很難真正被凍住。但是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家偏偏要做出理論家不喜歡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在足夠純凈的金屬樣品(比如金)里摻一點(diǎn)點(diǎn)的磁性雜質(zhì)（如鐵、錳等），在低溫下金屬電阻隨溫度降低達(dá)到極小值后卻反而呈指數(shù)式上升。這個(gè)結(jié)果讓理論家很抓狂，巴丁也百思不得解。終于，一個(gè)日本青年近藤淳展示了他的“近藤效應(yīng)”：其物理實(shí)質(zhì)在于金屬中的巡游電子自旋會(huì)與摻雜磁性原子的局域磁矩發(fā)生耦合，低溫下的自旋相互作用導(dǎo)致電子受到散射增強(qiáng)。這意味著，金屬中的磁性雜質(zhì)周?chē)?，總是?huì)聚集一堆“愛(ài)看熱鬧的”電子，以至于忘了去導(dǎo)電了。而扎堆的巡游電子也對(duì)磁性雜質(zhì)形成了屏蔽效應(yīng)，遠(yuǎn)處路過(guò)的電子就可能“視而不見(jiàn)”去導(dǎo)電了。因此，電阻在足夠低溫下也會(huì)趨于一個(gè)飽和值(圖2)。

圖2：近藤效應(yīng)

當(dāng)金屬中磁性“雜質(zhì)”濃度越來(lái)越大，以至于不再是雜質(zhì)，而晶體內(nèi)部局域磁矩就像圖1那樣有序排列起來(lái)，“近藤晶格”也就形成了。這時(shí)，金屬中的巡游電子和局域磁矩的相互作用必然導(dǎo)致電子奔跑過(guò)程中“拖泥帶水”，最終的結(jié)果是電子的有效質(zhì)量迅速增加，原本體態(tài)勻稱(chēng)的家伙變成了一個(gè)“大胖子”。這個(gè)胖子有多胖？說(shuō)出來(lái)嚇?biāo)廊?！費(fèi)米子系統(tǒng)的有效質(zhì)量與其比熱系數(shù)成正比，常規(guī)金屬（如銅）中電子比熱系數(shù)約為1mJ/molK²，而近藤晶格中的“胖電子”導(dǎo)致的比熱系數(shù)為100～1600mJ/molK²。這相當(dāng)于有效質(zhì)量是常規(guī)金屬中的1000倍左右，有如體重50公斤的正常人放到某個(gè)地方瞬間變成50噸重的巨人。由于近藤晶格中的電子是如此之重，該類(lèi)材料又被統(tǒng)稱(chēng)為“重費(fèi)米子”材料。胖子世界你不懂，重費(fèi)米子材料的物理性質(zhì)變幻多端，難以理解，至今仍然是物理學(xué)家頭疼的大問(wèn)題之一。

1975年，第一個(gè)重費(fèi)米子材料CeAl₃被發(fā)現(xiàn)，它的比熱系數(shù)達(dá)到1620mJ/molK²，是首個(gè)重量級(jí)的大胖電子。然而它的電阻依然跟溫度的平方成正比，這被認(rèn)為是費(fèi)米液體的標(biāo)志(作為費(fèi)米子的電子群體存在弱的相互作用后，類(lèi)比于宏觀材料的液體，稱(chēng)之為費(fèi)米液體)。也就是說(shuō)，胖歸胖，人家還是像個(gè)常規(guī)金屬那樣導(dǎo)電。

1979年，胖子世界的奇跡出現(xiàn)了。德國(guó)科學(xué)家在重費(fèi)米子材料CeCu₂Si₂中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象！盡管超導(dǎo)臨界溫度僅有0.5K左右，但邁斯納效應(yīng)證明是千真萬(wàn)確的體超導(dǎo)。CeCu₂Si₂的電子比熱系數(shù)至少為1100mJ/molK²，是第一個(gè)重費(fèi)米子超導(dǎo)體。緊接著在1983年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第二個(gè)重費(fèi)米子超導(dǎo)體UBe₁₃，臨界溫度為0.9K。1984年，發(fā)現(xiàn)第三個(gè)重費(fèi)米子超導(dǎo)體UPt₃，臨界溫度為0.5K。隨著重費(fèi)米子超導(dǎo)的不斷發(fā)現(xiàn)，徹底打破了理論物理學(xué)家關(guān)于磁性和超導(dǎo)“一山不容二虎”的論斷，因?yàn)檫@些材料在低溫都具有一定的磁有序結(jié)構(gòu)。即使在有磁性原子且電子如此之胖的情況下，超導(dǎo)在＜1K的情況下依舊存在，令人不得不驚嘆大自然的神奇。

重費(fèi)米子超導(dǎo)體幾乎都含有磁性稀土重離子（Ce、Pr、Yb、U、Np、Pu、Am等），結(jié)構(gòu)上也多種多樣。絕大部分重費(fèi)米子材料的T_c都在5K甚至1K以下，只有Pu系材料具有較高的臨界溫度，其中PuInGa₅為8.7K，PuCoGa₅臨界溫度最高為18.5K。然而元素Pu(钚)作為原子彈重要原料之一，具有非常強(qiáng)的放射性和毒性，目前對(duì)Pu系的重費(fèi)米子超導(dǎo)研究還非常困難和稀少。截止2010年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了40種左右的重費(fèi)米子材料具有超導(dǎo)電性。如同氧化物超導(dǎo)體一樣，重費(fèi)米子超導(dǎo)體也遍布于各種類(lèi)型的稀土合金材料之中。

重費(fèi)米子超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)變化非常豐富。以115類(lèi)型的材料為例，通過(guò)降低材料的維度，即增加原子堆積層數(shù)，讓三維性減低到二維性，就可以實(shí)現(xiàn)從CeIn₃(T_c=0.2K)到CeRh₂In₇(T_c=2.1K)；通過(guò)增加材料帶寬(導(dǎo)電電子的能量分布范圍)，可以實(shí)現(xiàn)PuCoGa₅(T_c=18.5K)，它的前后超導(dǎo)臨界溫度增強(qiáng)了約100倍。重費(fèi)米子材料的物理性質(zhì)也極其復(fù)雜，可以在溫度、壓力、磁場(chǎng)等多種手段下對(duì)其電子組態(tài)進(jìn)行微觀調(diào)控，得到各種各樣的電子態(tài)相圖，其中包括鐵磁、反鐵磁、超導(dǎo)等。即使在臨界溫度之上的正常態(tài)，其物理性質(zhì)也異常古怪。比如在某些區(qū)域存在所謂的隱藏序，至今實(shí)驗(yàn)仍無(wú)法分辨是屬于電荷/軌道/自旋等有序態(tài)的哪一種。有的材料電子價(jià)態(tài)還存在漲落，有的材料在絕緣態(tài)或者金屬態(tài)下存在拓?fù)洳蛔冃?，有的材料在絕對(duì)零溫存在異于有限溫度熱力學(xué)相變的量子相變。這些千奇百怪的物理性質(zhì)，極大地挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的物理理論框架，其中包括常規(guī)金屬超導(dǎo)的BCS理論在重費(fèi)米子超導(dǎo)中已經(jīng)不再適用。重費(fèi)米子材料是如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，那些奇重?zé)o比的胖電子如何如相撲運(yùn)動(dòng)員般靈活？至今還是一個(gè)令人惆悵的謎。

重費(fèi)米子材料具有的某些共性，比如表征電阻隨溫度變化的強(qiáng)度系數(shù)A和比熱系數(shù)γ成一定的線(xiàn)性比例，比值N可以是2、4、6、8（稱(chēng)為重費(fèi)米子材料的Kadowaki–Woods關(guān)系）。一般新發(fā)現(xiàn)的重費(fèi)米子材料都遵從該規(guī)律。許多重費(fèi)米子材料中電子行為隨溫度的演化呈一定的普適標(biāo)度律，且不受摻雜、磁場(chǎng)、壓力的影響。這些都表明重費(fèi)米子物性很可能具有共同的起源，只是目前尚未認(rèn)識(shí)而已。

重費(fèi)米子的產(chǎn)生機(jī)理主要就是巡游電子和局域磁矩的電磁相互作用，進(jìn)而影響了電輸運(yùn)的物理性質(zhì)。此與粒子物理中的“希格斯機(jī)制”、宇宙學(xué)中的黑洞奇點(diǎn)都有著異曲同工之妙。這再次體現(xiàn)了物理各分支之間的觸類(lèi)旁通，令人深省。