奇异金属（SM）是在量子材料中普遍存在的一种物质状态，具有很强的相关性，常表现为以不稳定量子临界点（QC）为中心的相图扇形区域。虽然量子临界中的自旋动力学已被广泛研究，但由于缺乏合适的实验室探针，因此对SMs的电荷动力学的实验知之甚少。穆斯堡尔谱法是检测低频纵向电荷动力学的经典方法，过去曾成功地用于检测铕和铁基化合物电荷有序跃迁时电荷动力学的减慢。然而，由于缺乏合适的放射性同位素源，穆斯堡尔方法的广泛应用一直受到阻碍。

近日，美国罗格斯大学Piers Coleman、日本东京大学Satoru Nakatsuji和兵库大学Hisao Kobayashi等人利用同步辐射穆斯堡尔谱法研究了β-YbAlB₄奇异金属相的电荷升降与温度和压力的关系。研究发现，费米液相区中通常的单吸收峰在进入临界区时分裂成两个峰。通过将此光谱解释为单个核跃迁，受附近的电子价态波动调制，其长时间尺度因带电极化子的形成而进一步增强。这些临界电荷波动可能被证明是奇异金属的明显特征。研究成果以题为“Observation of a critical charge mode in a strange metal” 发表在知名期刊Science上。

图1、实验设置和示意图 © 2023 AAAS

图2、同步辐射的温度和压力依赖性β-YbAlB₄的穆斯堡尔谱 © 2023 AAAS

图3、β-YbAlB₄的Lamb-Mössbauer因子f_LM © 2023 AAAS

本研究结果的一种可能是Yb²⁺和Yb³⁺离子态之间经典价跃迁临界终点的QC调谐；另一种可能是观察到的价电子涨落模式是SM区的固有属性，这与自旋电荷分离相关，自旋电荷分离随着f电子费米表面的坍塌而发展。通过使用基于SR的穆斯堡尔谱，本研究为β-YbAlB₄的SM区中异常缓慢的电荷波动提供了直接证据。由于它们的时间尺度比晶格响应的时间尺度长，因此推断了混合价态中的极化子形成。由于局部平衡是在普朗克时间尺度上建立的，因此很自然地将检测到的慢速电荷波动视为不同流体动力学模式的可能特征。这表明纳秒电荷波动和反常振动并不是β-YbAlB₄特有的，而是量子材料中SM区的普遍性质。

文献链接：Observation of a critical charge mode in a strange metal (Science, 2023, 379, 908-912)

本文由赛恩斯供稿。