《PRL》重磅：证实近藤绝缘体存在电中性费米面

在凝聚态物理学的世界里，金属和绝缘体被清晰地划分为两大阵营：金属拥有导电的自由电子，其热力学和输运性质由费米面（Fermi Surface,FS）决定；绝缘体则在费米能级附近打开了一个能隙，在低温下电阻率趋于无穷大，且不应存在费米面。然而，一类被称为“近藤绝缘体”（Kondo Insulators,KI）的强关联材料，尤其是十二硼化镱（YbB₁₂），却以其矛盾的性质，对这一经典范式提出了严峻挑战。

YbB₁₂在低场和低温下表现出典型的绝缘体行为：其电阻率随温度降低呈指数增长，明确无误地证明了电荷能隙的存在。但与此同时，它却展现出多种“金属性”迹象，包括非零的线性热容（γT项）和高效的热传导。这种矛盾在强磁场下达到高潮：YbB₁₂令人震惊地显示出量子振荡（Quantum Oscillations,QOs）现象。发表在PRL题为《近藤绝缘体YbB₁₂热容中的量子振荡》的论文，通过对热容这一“体相热力学”量的精准测量，为这一奇异现象提供了最终和最可靠的证据，并提出了一个颠覆性的结论：在电荷能隙内部，存在着一个由电中性费米子构成的费米面。

近藤绝缘体的核心悖论与研究背景

近藤绝缘体是通过局域的f电子与传导c电子之间的“近藤耦合”形成的。这种耦合在低温下形成一个集体、相干的重费米子态，并在EF处打开一个狭窄的杂化能隙。从电学的角度看，这使其成为一个绝缘体。

然而，在YbB₁₂中，物理学家们发现了以下关键矛盾：

1. 热学金属性：存在非零的线性热容系数γ，这是费米液体理论的标志，意味着存在无能隙、可移动的激发态。同时，其热导率κ即使在极低温度下也保持非零，表明有高效的热载流子。
2. 维德曼-弗朗茨定律的违反：金属中，热导率κ和电导率σ之间存在普适关系 (κ/(σT) = L₀)。在YbB₁₂中，由于σ趋近于零，这一比例被违反了高达10⁵倍，这无可辩驳地表明，负责输运热量的移动准粒子不携带电荷。
3. 输运中的量子振荡：此前已在磁阻 (SdH效应) 和磁化强度 (dHvA效应) 中观测到QOs。QOs是朗道量子化的直接结果，需要一个尖锐的费米面。在一个公认的绝缘体中发现费米面的印记，是物理学上的重大难题。

热容测量的决定性意义

正是第三个矛盾，即QOs的存在，引发了巨大的争议。反对者认为，SdH和dHvA信号可能来源于材料表面（因为YbB₁₂是拓扑近藤绝缘体的候选者）或内部残留的金属杂质。

论文的革命性之处在于，它首次在热容 (C/T) 中观察到量子振荡。热容是一个体相热力学量，测量的是整个材料内部所有激发态存储的总能量。

• 体相确认：振荡信号直接出现在线性热容系数γ项中，该项起源于整个体材料的能级密度。这有力地排除了信号仅由表面或微小杂质相驱动的可能性。
• 三重一致性：热容中观测到的QO频率与此前在磁阻和磁化强度中观测到的频率完全一致。这种在三种截然不同的物理量（热力学、输运和磁学）中的一致性，提供了最具说服力的证据，证实了这是一种内禀、体相的物理现象。
• 与γ的关联：振荡的巨大振幅（约占零场γ的13%）与γ项之间的直接关联，证实了被磁场量子化的正是那些形成线性热容的、无能隙的、可移动的激发态。

结论：电中性费米子的费米面

该研究最终的物理学意义在于，它用实验数据支持了“电中性费米子”的假说。

由于YbB₁₂仍然是一个电绝缘体（电荷载流子有能隙），但又清晰地展现出费米面和高移动性的热输运，因此，这些被磁场量子化的准粒子必须是电中性的。它们在强关联的近藤背景下产生，能够高效地携带热量，对磁场作出反应，但不携带电荷。

这篇论文的发现挑战了量子振荡是带电电子独有现象的传统观念。它表明在强关联体系中，电子可以通过分数化解离成独立的激发态——例如，解离成携带自旋的自旋子和携带电荷的空穴/电荷子。在这种情况下，电荷子可能被能隙限制，而自旋子（电中性费米子）则可能是无能隙且移动的，从而形成了电中性费米面。

总结

《近藤绝缘体YbB₁₂热容中的量子振荡》这篇论文，通过其无可辩驳的体相热力学证据，巩固了YbB₁₂作为一种奇异物质状态的地位。它不仅解决了先前关于QOs来源的争议，更将强关联物理学的焦点引向了一个新的前沿：探索电中性费米子的费米面，以及在没有传统金属的情况下费米液体行为是如何产生的。这一发现为理解拓扑物质、分数化激发和强关联电子系统的复杂性打开了新的大门。