强关联电子系统

摘要：

14年前发现的铜氧化物高温超导掀起的研究热潮持续至今，而90年代中期在同样具有钙钛矿 结构的锰氧化物中发现的庞磁电阻效应则又成为另一大热点.其机理的研究都涉及到所谓强 关联电子系统.《Science》杂志以强关联电子系统为主题发表了3篇综述文章［1—3］ 、1篇观点文章［4］和1篇社论［5］，并配以引言［6］，对强关联 电子系统的最新研究情况进行了评述.
在经典的固体电子论中，应用朗道-费米液体理论大大简化了固体这个本质上的多体问题： 每个原子的价电子能自由运动，通过重整化过程，它们之间库仑排斥作用可以忽略，系统的 输运性质描述为近独立准粒子(质量修正后的电子或空穴)的弱相互作用.近独立准粒子近似 基 础上的电子能带论对固体系统给出了近乎完美的解释.然而，当包括氧化物高温超导、庞磁 电阻等在内的一批新材料发现后，我们发现其具有的非凡物理性能再不能用这些经典的思想 来解释了.在这些材料中，近邻电子之间通常为最近邻，相互作用非常强烈，以致于再也不 能考虑为分离的电子.电子-电子相互作用占据主导地位，完全不同于经典的自由电子图景 ，因而把这类系统称作“强关联电子系统”.这类材料具有非常诱人的应用前景，但理解和 描述(而不是回避)这种复杂的相互作用，给物理学家带来了智力上最大的挑战［5，6］ .
这类材料的一个典型特征就是各种有序的共存，包括电荷有序、轨道有序、电荷密度波、超 导序和磁有序.这些不同的有序通常被认为是互相竞争的，在这些材料中却协同共存.这样 的系统在绝对零度也可能展现出量子液体基态和量子有序到无序的奇异转变.描述强关联电 子系统物理的数学工具还在研究.通过把固体物理问题比照为一个等价的由粒子物理学家发 展的场论模型，然后运用场论的数学工具来得到基态和低激发态，在这方面，已经获得了优 雅的结果.同样利用现在强大的计算机和新的、非常有效的算法进行的数字计算也得到了很 深入的见解.但是很显然，强关联电子系统是很深奥的新难题，可以说代表了新世纪对物理 学家提出的深刻而又艰难的挑战［5］.
来自日本东京大学的Tokura与Nagaosa［1］评论了轨道物理学(orbital physics)在 决定磁系统如何自组织成各种磁有序相中的作用.固体中局域在原子附近的电子有三种属性 ：电荷、自旋和轨道.轨道表示固体中电子云的形状.在具有各向异性形状的d轨道电子的 过渡族金属氧化物中，电子之间的强烈的库仑相互作用对理解它们的金属-绝缘体转变和物 理性质如高温超导与庞磁电阻有很重要的意义.轨道自由度在这些现象中常扮演重要的角色 ，它们之间的关联或有序-无序转变引起很多奇异的现象，这些是通过轨道与电荷、自旋、 晶格的耦合——轨道物理学——来实现的.作者认为，轨道物理学将成为关联电子科技的一 个重要概念.基于此，文章首先给出了过渡族金属氧化物中d电子形成的5种可能轨道的形状 ，然后从经典的能带论讲到电子关联导致的Mott绝缘体，谈到Jahn-Teller效应引起的晶格 畸变，接着讨论了这类系统进行载流子掺杂后的双交换相互作用，并重点以锰氧化物为例进 行了讨论.

机标关键词：强关联电子系统、轨道、金属氧化物、物理学家、固体、高温超导、材料、数学工具、庞磁电阻效应、锰氧化物、经典、电荷、双交换相互作用、自由、准粒子、转变、形状、能带论、描述

所属期刊栏目：29

分类号：O48;O4

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共2页

页码：750-751