孙培杰
能势特效应在整个凝聚态物理实验研究中都很少引起人们的关注，中国科学院物理所研究员孙培杰指出其主要原因：一是能势特信号不容易测量，二是能势特效应没有很好的理论基础，信号很难定量和定性分析。
■本报记者 沈春蕾
从德国马普固态化学物理研究所到中国科学院物理研究所，孙培杰将他在马普固态化学物理研究所从事的重费米子（或叫重电子）热电输运性质的研究也一并带回国。
尽管在国际上，同行对重费米子现象的研究已经很深入，很多前沿的研究手法都已经被应用到重费米子领域，但中科院物理所研究员孙培杰还是希望通过设计一种新的实验手法，即能势特效应（能势特效应是在磁场下，当有热流通过导电材料时，会在热流及磁场的垂直方向产生电动势的现象）来重新研究这一问题，进而揭开重费米子材料巨大热电效应的面纱，探索新型的热电材料。
一项传统的研究
在微观世界，原子、分子、离子、电子等大量粒子，在很强的相互作用下形成凝聚态。凝聚态物理主要研究固体材料的微观结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系。
“重费米子现象是凝聚态物理的一个传统研究领域，含有丰富的前沿物理问题。”孙培杰在接受《中国科学报》记者采访时表示。
重费米子现象通常出现于含有稀土或锕系元素的化合物中，在热力学、输运、磁性等实验上表现出巨大的电子有效质量。这一现象是典型的电子间相互关联效应，其微观原因是传导电子和局域磁性电子之间的近藤散射以及由晶格周期性导致的近藤散射间的位相相干性。
孙培杰介绍道，近藤散射是磁性原子对电子的共鸣散射，这一过程对很多的材料物性都有较大的影响。重费米子材料简单地说就是在这一共鸣散射的过程中，所有很轻的电子披上了一层由磁性原子提供的厚重外衣。这就是为什么会观测到重电子的微观原因。
目前，对于重费米子现象的理解为很多电子强关联效应的研究，包括高温超导的发展奠定了基础。在凝聚态物理研究方面，重费米子超导体一直是被关注的对象。此外，重费米子化合物的量子临界现象以及非费米液体现象也是目前国际上的研究热点。
然而，在理论方面，关于这类化合物的近藤散射过程如何演变为低温下重费米子结构，目前仍旧存在分歧。这一过程中，重费米子材料表现出巨大的热电效应，热电系数可以达到普通金属的上百倍。也就是说，该类材料里的一个微小温度梯度就可以产生巨大的电压，这一点，正是热电材料得以应用的基础。微观上重费米子材料的巨大热电效应究竟和近藤散射有什么关系，目前还没有一个明确的答案。
坚守自己的领域
谈及关注的重费米子状态下热电性能，孙培杰指出，早在两年前，自己还在德国马普固态化学物理研究所的时候，就开始着手这项研究。当年遇到的第一个困难在于如何设计实验，把电子的近藤散射过程和热电效应联系起来。但这项难题仅花了半年时间就取得了成果，孙培杰成功设计了一套可以在低温和磁场下运行的热电交叉测量仪器。
另一个困难来自同行的不理解。“具体说来，大家已经认为重费米子化合物的热电性质就是由巨大的重费米子质量造成，很多文献也都这么说，你为什么偏偏要怀疑这一点呢？”
这也是孙培杰来到物理所，还继续选择与德国马普固态化学物理研究所合作的原因，因为那里有他的导师，非常规超导和重费米子研究的奠基人，Frank Steglich教授。
德国马普固态化学物理研究所拥有宽松的科研氛围，在这样的环境下，以及Frank Steglich个人对年轻人想法的鼓励和包容，让孙培杰在近两年的时间里，能坚持这项在多数人看来没有必要再研究的课题。
来到中科院物理所，孙培杰发现这里同样有灵活的科研机制和不断加入的新生力量，结合马普所坚守自己的研究领域，做世界最好的科研优势，孙培杰最终在导师和同事的帮助下，得到了同行的认可。
不久前，孙培杰和Frank Steglich合作，采用自己所设计的热电输运测量手段，在重费米子化合物近藤散射的观察上取得了重要进展。他们通过构建精密的低温磁场下输运测量系统，在国际上首次用能势特效应对近藤散射过程的能量非对称性进行了研究。
研究结果明确揭示了在广域温区范围内，重费米子体系中近藤散射过程的局域性，以及近藤散射的能量非对称性是控制巨大热电输运的微观原因，而不需要再考虑重电子本身。
用孙培杰的话概括，重费米子材料之所以有巨大热电效应，重费米子本身并非是关键因素。当我们通过能势特效应脱去重费米子厚重的外衣后，发现了电子的散射过程具有巨大的非对称性，即高能量和低能量电子的散射时间会明显不同。这一点才是巨大热电效应的真正原因。因为这一研究手法可以简单地分离出电子关联材料里的特殊散射过程对热电效应的影响，所以结果对研究强关联化合物中异常热电效应、预言基于电子关联的新型热电材料将起到积极作用。
一个全新的思路
“虽然很多前沿的研究手法都已经被应用至重费米子领域，但很少有人用能势特效应来研究这一问题。”孙培杰说。
能势特效应在整个凝聚态物理实验研究中都很少引起人们的关注，孙培杰指出其主要原因一是能势特信号不容易测量，二是能势特效应没有很好的理论基础，信号很难定量和定性分析。
孙培杰的研究首次把重费米子的能势特信号和近藤散射的能量非对称性联系了起来。
这项研究的意义首先是给近藤散射效应提供了一个新的探测手段，其次是首次意识到在重费米子化合物中，由近藤散射引起的异常霍尔效应和巨大热电效应，以及能势特效应之间应该符合一个定量关系，即热电系数=能势特系数/霍尔迁移率。
这个结论意味着，我们可以明确地预测在什么样的材料里，由电子散射过程引起的热电效应会很大。孙培杰希望自己的发现能在探索新型热电材料方面提供一个全新的思路。
热电材料可以回收汽车、发电厂等废热用以发电；相反，也可以用来制冷，构建基于热电材料的冰箱。“传统理论从电子的能带结构来预测材料热电性质，而我们提供了一个全新思路。当材料具有一个明显非对称的散射过程时，其热电性质就不再受传统理论限制。”目前，孙培杰已经发现这一系列散射效应很明显的材料。
《中国科学报》 (2013-08-13 第5版 创新周刊)
