超越平衡：科学家研究Floquet费米液体

费米-狄拉克分布在三种不同温度下，包括绝对零度（蓝线）。图片来源：Lauro B. Braz/Wikimedia Commons。

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来自德国和新加坡的研究人员研究了费米液体的一种非平衡状态，称为Floquet费米液体（FFL），它是在费米液体受到周期性驱动力并与费米子浴保持接触时形成的。

费米液体是量子力学系统，其中费米子（如金属中的电子）在绝对零度温度下共同表现可预测，相当于 0 开尔文或 -273.15°C。

费米子是宇宙中两类基本粒子之一，它们服从费米-狄拉克（FD）统计。这描述了当系统处于热平衡状态时它们的分布。

在这里，我们遇到了一个有趣的量子系统，称为费米液体。术语“费米液体”来自这样一种想法，即类似于液体如何自由流动并可以改变形状，费米液体中的费米子由于它们的集体行为而在材料中相对自由地移动。

对于费米液体，费米子的行为以费米面为特征。费米面标志着费米液体能态的分离，表明费米子占据的填充和空能态。

研究人员的动机是了解当周期性驱动力施加到电子上时，电子会发生什么，同时与费米子热浴相结合。

这项研究发表在《物理评论快报》上，由德国莱比锡大学的Li-kun Shi博士和Inti Sodemann Villadiego博士以及新加坡南洋理工大学的Oles Matsyshyn博士和Justin C. W. Song博士进行。

Phys.org 与研究人员进行了交谈，他们引用了一个他们希望回答的更大的问题：即使材料不吸收光，光电流（照亮材料产生的电流）是否存在于纯块状晶体（如金属和半导体）中？

这个问题将他们引向了Floquet费米液体。

Floquet 费米液体

在费米液体中，能态是连续的，充满能态低于费米能，空态高于费米能。费米能级标志着找到费米子态的概率从接近 100% 占据过渡到接近 0% 占据的能级。

在绝对零度下，费米能量之前的所有状态都被填满，而费米能量以上的所有状态都是空的。这个能级有效地定义了动量空间中的费米面：一个有助于可视化物质内部发生的事情的理论概念。

当我们对费米液体施加周期性力时，它的正常能级被修改为Floquet能带，这是由于驱动力而改变的费米液体能级。把它想象成在水面上形成的涟漪。

研究人员现在想了解，如果这个系统远离平衡，会发生什么。为此，研究人员引入了费米子浴，这是一个由费米子组成的储层或环境。

研究人员发现，由此产生的费米液体处于非稳态平凡状态，称为Floquet费米液体。他们发现，所得液体不符合典型的FD统计数据。

FD 楼梯和嵌套曲面

在这种情况下，FFL 状态被认为是非平凡的，因为它是周期性驱动力、费米子相互作用和周围环境相互作用的结果。

能量状态的平滑跃迁，类似于在平衡FD分布中通常观察到的单次跳跃，能量状态的占领显示出具有多次跳跃的阶梯状模式。

“每一次跳跃都会导致新的费米面（Floquet费米面）的出现，”史博士解释说。

“以FFL状态出现的Floquet费米曲面是相互封闭的，”Matsyshyn博士补充道。

把它想象成分层的费米曲面，类似于俄罗斯的套娃情况。这些浮动费米曲面会影响整个系统的行为，从而产生特定的现象。

量子振荡中的跳动模式和控制电子行为

量子振荡是材料特性（如电阻）的周期性变化，是磁场或压力等外部参数的函数。

在FFL的情况下，研究人员观察到在外部磁场影响下的量子振荡中的跳动模式。

这些图案是由于不同大小的Floquet费米曲面之间的干涉而产生的，这些曲面相互嵌套。多个Floquet费米表面的存在导致建设性和破坏性干涉效应，导致电阻振荡。

“量子振荡中的跳动模式与在二维电子系统中观察到的微波诱导电阻振荡（MIRO）实验一致，”宋博士解释说。

它们还提供了一种设计和定制系统电子行为的方法。

Villadiego博士说：“多个费米面的存在可以更好地控制系统的电子特性。通过调整光频率或强度，我们可以操纵Floquet费米曲面的形状和分离。

这为控制电子行为提供了新的可能性。

潜在应用和见解

研究人员指出的最有趣的教训之一是，正如史博士所说，稳态不应该被看作是“一种无聊的、稍微热的平衡FD分布版本”。

“相反，系统接近稳态，其能量密度高于平衡态，但这种多余的能量不会以某种无特征的热量存储，而是导致非常精确的重新排列状态的占据，保持精确的量子性质，”Matsyshyn博士说。

研究人员还提供了通过实验实现FFL所要满足的条件或标准。他们还列出了未来工作的几种潜在途径，其中之一是散装材料中光电流的原始问题。

“使用我们的Floquet费米液态，人们可以严格证明，即使是纯粹的单色光也确实有可能驱动净整流电流，即使其频率在间隙内，”Villadiego博士说。

“这些想法可能与新型光电技术的发展有关，如光放大器、传感器、太阳能电池和能量收集装置，”宋博士总结道。

更多信息：Li-kun Shi et al， Floquet Fermi Liquid， Physical Review Letters （2024）.DOI：

10.1103/PhysRevLett.132.146402.在arXiv上：DOI： 10.48550/arxiv.2309.03268

期刊信息： 物理评论快报 ,arXiv