立方钬化合物中发现的三道近藤效应

(a) Ho3+离子的10个f电子中剩余的4个电子如何结合的示意图。矩形和椭圆形分别表示三联体和单线对。(b) Ho的熵与温度 ３ 离子。资料来源:东京城市大学

东京城市大学的一位科学家首次应用数值方法捕捉到f电子系统中的三通道近藤效应量子现象的特征。Takashi Hotta教授展示了钬+3离子周围的电子如何与导电电子相互作用，并在超低温度下预测剩余熵值。这项工作还预测了可能显示这种效果的真实材料的种类。

20世纪凝聚态物理学家面临的众多谜题之一是不纯金属电阻率的奇怪情况。金属中的电阻很大程度上是由于传导电子被热能振动的金属离子散射而引起的。温度越低，振动越小，影响越弱;人们预计金属的电阻率在接近绝对零度时就会下降。然而，当金属不纯时，就不会发生这种情况。当温度降低时，电阻率在再次上升之前达到最小值。这一效应被称为“近藤效应”，是由近藤俊教授发现的，他发现这是由于磁杂质通过一种称为杂化的过程与导电电子相互作用。

在20世纪60年代和70年代的无数突破之后，物理学家开始意识到，这仅仅是个开始。事实上，杂质和导电电子相互作用的方式可能更加复杂，特别是当同一杂质可以与多个电子储层相互作用时，即“多通道”近藤效应。Nozières和Blandin在1980年的开创性工作展示了双通道近藤效应是如何引起“非费米液体”行为的。除其他外，非费米液体与高温超导性有关。

现在，东京城市大学的Takashi Hotta教授在一个三维钬化合物的数值模型中研究了三通道近藤效应。在钬3+离子的情况下，它们能量最高的电子在4f轨道，这是许多量子态的子集，可能被原子周围的电子对占据。六个填充较低的能量态，四个以不同的方式结合，产生自旋单线态和自旋三重态;如图所示，矩形是三重态，椭圆形是单线态，不同颜色的圆圈表示四个电子。这就形成了一个“自旋= 1”的杂质，它可以同时与三个不同的传导电子源杂化。Hotta教授使用一种被称为数值重正化群方法的算法来模拟这个系统，发现在超低温下的残余熵与三通道近藤效应预测的准确值一致。

重要的是，这项新工作预测了可能出现三通道近藤效应的真实材料，即由1部分钬、2部分过渡金属和20部分铝或锌组成的1-2-20化合物。在真实的实验系统中，这种效应可能被观察到，这为寻找奇异量子基态带来了新的兴奋，为发现新型非费米液体及其潜在应用提供了空间。