清華姚宏Nature子刊：費米子激發量子臨界點

【引言】

在緊密相關的多體系統中，衡量量子相移過程中量子事件的行為是現代凝聚態物理學中的重點和挑戰性問題之一。由于Landau和Ginzburg，通過階數參數提供了對相變的普遍了解，其非零期望值可以表征具有較低對稱性的階段。足夠接近過渡點，大距離和長時間的階次參數波動主導了這種相變附近的物理學，并通過階數參數的連續場理論來描述。結合威爾遜的重整化組（RG）理論，這種復雜的Landau-Ginzburg-Wilson（LGW）相變模式在理解相關多體系統中的二階相變中取得了巨大成功，包括超導體，密度波化合物和電子 - 特洛伊液晶。Landau立方標準表明，當Landau-Ginzburg（LG）自由能的對稱性允許立方體秩序參數允許時，連續相變也被禁止。人們自然會提出這樣的問題：是否存在持續的過渡違反LG Land自由能中立方的Landau標準？

【成果簡介】

近日，清華大學的姚宏研究員（通訊作者）等人在Nat. Commun.上發表了題為“Fermion-induced quantum critical points”的文章。在這篇文章中，研究工作者通過重整化群分析，發現二維量子相變可以在相互作用的二維狄拉克半金屬的一階躍遷中發生。由于這種類型的Landau禁止量子臨界點是由無能隙的費米子引起的，故可稱之為費米子激發量子臨界點。作者進一步介紹了以狄拉克半金屬和Kekule價鍵固體之間轉變為特征的蜂窩晶格上的SU(N)費米子的微觀模型。大規模的Majorana量子蒙特卡羅模擬為對于N = 2,3,4,5,6的費米子激發量子臨界點提供了令人信服的證據，與重整化群分析的結果一致。最后，作者討論了實現石墨烯和類石墨烯材料中費米子激發量子臨界點的實驗方法。

【圖文導讀】

圖一：費米子激發量子臨界點（FIQCP）

根據Landau立方標準，轉變被定為一階，因為在Landau-Ginzburg理論中對稱性允許三階晶序參數。然而，它可以通過耦合到無質量的狄拉克費米子而被誘導成二級。該FIQCP為違反Landau立方標準的轉換提供了一個實例。

圖二：耦合常數的重整化群流

臨界表面r = r_c中唯一穩定的固定點由紅點表示，這是表示FIQCP的Gross-Neveu-Yukawa定點。此外，由于費米子和玻色子的速度趨同，因此在FIQCP中出現Lorentz對稱性。

圖三：由QMC模擬得到的量子相圖

通過大規模的Majorana量子蒙特卡羅（QMC）模擬，獲得N = 2,3,4,5,6蜂窩狀晶格上SU(N)費米子模型的量子相圖。

圖四：Binder比率和數據折疊分析

(a) 對于N = 3，具有不同J / t和不同L的粘合劑比率。

(b) 根據縮放關系的數據折疊被用于確定ν。

【小結】

在這篇文章中，作者通過Majorana QMC模擬和大N RG分析，通過耦合到2 + 1維度中的N個無質量狄拉克費米子，將一階相變驅動為連續的一階相變。這是第一次證明2 + 1維度的FIQCP作為量子相變過程違反了Landau立方標準。研究為量子臨界點提供了新的見解，并為LGW范式的外界量子相轉變鋪平了道路。

文獻鏈接：Fermion-induced quantum critical points（Nat. Commun.2017，DOI: 10.1038/s41467-017-00167-6）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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