无序中的量子临界：费米面重构如何突破传统？

量子世界的“混乱”与“秩序”之争在凝聚态物理的深邃领域，有一种现象如同量子宇宙中的“暴风眼”，它发生在绝对零度附近，由微观粒子永不停歇的量子涨落主导，这就是“量子临界点”。长久以来，科学家们习惯在结构规整、磁性有序的晶体世界里寻找这些神秘的临界点。他们相信，只有在严丝合缝的秩序中，才能清晰地捕捉到物质从一种量子态跃迁到另一种量子态的瞬间。然而，现实世界充满了“混乱”——化学无序、原子随机排布、磁性杂乱无章……在这样的体系中，量子临界点是否还能存在？如果存在，它又将以何种面貌示人，挑战我们对宇宙基本规律的认知？这正是困扰物理学家多年的难题，也是一场在“混乱”中寻找“秩序”的艰巨挑战。

南方科技大学的“无序”突破就在近期，这场持续已久的“秩序”与“混乱”之争迎来了令人振奋的突破。2025年11月7日，发表在《国家科学评论》上的一项重磅研究，彻底颠覆了传统认知。南方科技大学张文清讲席教授团队联合多家单位，围绕一类特殊的铁基重费米子合金TiFeₓCu₂ₓ₋₁Sb，成功揭示了在化学无序背景下，由团簇自旋玻璃态通向相干重电子金属态的量子相变。这项研究的核心结论是：即使在没有长程磁有序、内部存在显著化学无序的体系中，量子临界点依然能够被磁场诱导出来，并伴随费米面的显著重构。这一发现，不仅为理解复杂量子材料的行为提供了全新视角，更重要的是，它为突破传统朗道范式，探索超越经典对称性破缺理论的新框架，指明了方向。

传统框架的局限：为何无序体系难以捉摸？传统量子相变理论，特别是朗道范式，主要依赖于对称性的自发破缺和序参量的概念。它擅长描述那些结构完美、磁性有序的材料，例如从铁磁到顺磁的转变。然而，当系统内部出现“无序”时，这套理论就显得力不从心了。想象一下，你试图用一把精确的尺子去测量一堆散乱的沙子，其难度可想而知。在化学无序的重费米子材料中，原子随机占据晶格位点，导致局域磁矩也随机分布，形成了所谓的“稀释近藤无序体系”。更复杂的是，这类材料的低温基态往往是“自旋玻璃”——一种磁矩冻结成无序构型的状态，而非整齐划一的长程磁有序。在这样的“混乱”中，传统的序参量概念失效，微扰论和准粒子假设也面临挑战，使得理论预言的“近藤崩塌型”量子临界点，长期缺乏清晰的实验证据。

当“近藤效应”遇上“自旋玻璃”：机制揭秘南方科技大学团队巧妙地选择了TiFe₀.₇Cu₀.₄Sb作为研究对象。这种材料具有哈斯勒类晶体学特征：Ti和Sb原子规则有序，而Fe和Cu原子却在特定位点上随机占位，形成了显著的化学无序。扫描透射电镜和元素能谱清晰地证实了这种“混乱”。更关键的是，低温磁化测量显示，Fe的局域磁矩在0到1.5之间随机分布，平均仅约0.05/Fe，使其成为典型的稀释近藤无序体系。在超低温下，该材料的基态特征是团簇自旋玻璃，而非传统的长程磁有序。团队通过极低温热力学与输运的联合测量，发现电子比热与磁格林森常数随磁场呈现量子临界标度，成功定位出约0.13特斯拉的磁场诱导量子临界点。这意味着，即使在团簇自旋玻璃的背景下，通过外部磁场的精妙调控，也能迫使系统经历一场深刻的量子相变。这一机制与传统由长波涨落主导的朗道自旋密度波量子临界点截然不同，它更接近于“近藤崩塌型”量子临界点，即近藤纠缠能标在临界处同步坍塌，引发费米面体积的实质性改变。

费米面：从“小”到“大”的量子蜕变在量子世界里，费米面是衡量电子行为的关键指标，它代表了电子在动量空间中的能量边界，其体积与材料中的载流子数量密切相关。这项研究最引人注目的发现之一，就是费米面的“量子蜕变”。团队在低温等温条件下，观察到反对称化处理后的霍尔电阻曲线随磁场由“陡斜率”演化为“缓斜率”，这对应着有效霍尔系数随磁场降低。在单载流子近似下，这意味着费米面体积随磁场增大。进一步的经验函数拟合，清晰地展现了零场/高场极限霍尔系数随温度与磁场的系统演化，有力支撑了体系发生了由“小费米面”向“大费米面”的跨越。这种从“小”到“大”的转变，正是近藤崩塌型量子临界点的标志性特征——当近藤纠缠被打破，局域化的f电子重新参与到导电过程中，使得费米面体积显著膨胀。这不仅是实验上的重大突破，更是对理论预言的直接验证，揭示了无序体系中量子临界点与费米面重构的新颖关联。

超越朗道范式：量子临界的深远意义这项研究的意义远不止于对特定材料的理解。它挑战并拓展了我们对量子相变的传统认知，特别是朗道-金兹堡范式的局限性。传统理论往往难以描述无序体系中多自由度量子涨落催生的奇异多体态，而这项工作则提供了一个清晰的实验范例。它表明，即使在没有长程磁有序和存在化学无序的背景下，通过精细的调控，依然可以实现磁场诱导的量子临界与费米面重构。这种“在混乱中寻找秩序”的能力，为设计和探索新型量子材料开辟了广阔前景。例如，量子临界点往往与高温超导、奇异金属等新奇物态密切相关。理解这些复杂体系中的量子临界机制，将为开发具有突破性性能的电子器件、高温超导体乃至量子计算材料提供重要的理论指导和实验基础。它促使我们重新思考，在那些看似“无序”的角落里，是否隐藏着更多尚未被发现的量子奥秘。

从“混乱”中启迪：展望未来量子材料南方科技大学张文清教授团队的这项工作，无疑为量子材料研究点亮了一盏明灯。它不仅展示了在复杂无序体系中实现量子临界的可能性，更重要的是，其所揭示的近藤崩塌型量子临界点和费米面重构机制，为理解强关联电子体系中多体物理的复杂性提供了新的线索。未来，我们可以预见，更多的研究将聚焦于无序对量子相变的影响，探索如何利用无序来调控材料的宏观量子特性。这可能包括开发具有特定无序结构的新型材料，或者通过外部参数（如压力、磁场、电场）的精密调控，诱导和稳定这些奇异的量子临界态。此外，结合机器学习和人工智能（如张文清团队在AI4Materials领域的其他工作），有望加速新材料的发现和设计，进一步深化我们对量子世界的理解。从看似“混乱”的无序中提取出普适的物理规律，这不仅是科学的进步，更是一种哲学上的启迪——即使在最复杂的表象之下，也可能蕴藏着简洁而深刻的秩序，等待着人类去发现和解码。