昨日翻看许久未动的文件夹,偶然间找到了Phillips等人为Science杂志所写的一篇综述文章.虽然该文强调的是奇异金属态与全息对偶和铜氧化物超导体的联系,但我觉得这些联系可能具有一般性,对我们理解一般的非费米液体问题有所裨益.因此,我翻译了这篇综述论文的前言部分,[Phillips,Hussey,Abbamonte,Stranger than metals,Science 377,169(2022)]希望感兴趣的读者可以通过仔细阅读该文正文入门(入坑)非费米液体这个重要的凝聚态物理话题.

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背景:作为理解金属性质的基础,Landau费米液体理论已经发展了65年.其基本假定是传输电流的电子可视为准粒子,(类电子的粒子,其有效质量被修正),这些准粒子与原子组成的晶格或其他电子相互作用.在很长一段时间内,Landau的理论能够计及金属内的所有相互作用,甚至包括准粒子有效质量可达电子质量三个量级的重费米子体系.费米液体理论同样是首个成功的超导微观理论(BCS理论)的基础.

在过去的几十年里,人们发现了许多新型金属体系,他们并不遵循费米液体理论的预言.对费米液体理论最显著的偏离是电阻随温度和磁场的变化.在正常金属(电子是电荷的载体)中,电阻在低温时随温度增加(由于量子化的晶格振动,即声子的散射)并在高温时趋于饱和(电子平均自由程趋于晶格间距).

在奇异金属中,电阻并不显示饱和,这意味着准粒子描述失效,电子不再是主要的载流子.当粒子图像失效,局域对象无法携带电流.

进展:关于金属性的新分类并不纯粹的学术问题,这是因为奇异金属是一些最佳超导体在高温时的稳定物态.理解高温超导电性是一个巨大挑战,这是因为其问题的解决根植于强相互作用物理(电子不再独立运动).理解超导温度之上驱动电子运动的相互作用所带来的新演生现象是物理学中最紧要的问题之一,它吸引了大量凝聚态物理研究者和弦理论家.一个清楚的是事实是:粒子图像已经失效.既然粒子和局域性相互联系,奇异金属提出了这样一种可能,也就是其问题的解决必需抛弃量子理论的基本构筑单元.

我们将回顾相关的实验和理论进展,特别是铜氧化物超导体相关的内容.我们尝试通过一些重要的实验事实把非饱和电阻现象与参数自由的普适物理相联系.这些材料体系中最核心的发现是移除一个电子影响所有能量尺度的谱而不仅仅是费米液体中所看到的低能部分.这个观察强化了单粒子观念失效之一观点.在理论一边,基于强相互作用物理对应于引力这一猜想的现代理论会被广泛讨论.这一理论是目前描述奇异金属物理最成功的理论.对引力模型的尝试不仅仅是白日梦,因为在这样的构造 中,我们不需要用粒子来解释电荷密度.既然独立粒子图像的失效是理解奇异金属的核心点,引力构造是取得进展的自然工具.我们也会列举这一猜想所对应的试验检测.

观点:既然出现了越来越多能够被实验检验的奇异金属,我们距离揭开它们的神秘面纱就越来越近.为了达到这个目的,我们需要理解奇异金属物理的普适性.同时,超导态的反常本质也会得以澄清,这可能会提供一个非准粒子配对的新范式.铜氧化物超导体中线性电阻强度和超流密度之间的关联,毫无疑问得暗示了奇异金属性和超导电性之间的基本关系.当引力理论逐渐成熟并能够克服晶格问题所带来的挑战,我们希望可以建立一套令人信服的且描述黑洞视界附近出现的奇异金属性的完整理论.

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译后瞎扯时间:

在这篇综述出现后,Shaginyan等指出费米子凝聚理论可以回答Phillips等在文章中指出的奇异金属性问题.[Shaginyan,Msezane,Japaridze,Zverev,Comment on "Stranger than metals",arXiv:2208.04407]由于我对费米子凝聚理论并不熟悉,因此也无法对其做更多评价,读者可自行判断.

话说奇异金属态自80年代于铜氧化物高温超导体被发现以来,一直是凝聚态多体问题中最核心的秘密.任何敢于直面此挑战的人都值得敬佩,也值得数十年后的物理学史研究者记录下他们的名字.想起某次和小伙伴聊起各自的愿望,他直言不讳地说是要做一些能够留下的工作！

虽然人们提出了很多理论妄图解释实验观察到的奇异金属行为(温度依赖的线性电阻,幂律型的光学电导,温度平方依赖的霍尔角,对数发散的比热),然而时至今日,我们距离成功的理论还有很长一段距离.

指得注意的是,综述中提到通常的量子临界理论并不能解释温度依赖的线性电阻,这实际上表明文献当中各种量子临界理论(铁磁自旋涨落,反铁磁自旋涨落,价涨落,圈电流...)都不可能是真正正确的理论描述.因此,作者转而支持基于规范-引力对偶或者AdS/CFT对偶的理论.在所有的规范-引力理论中能够获得最接近奇异金属性质的理论是Einstein-Maxwell-dilaton(EMD)理论.

当然,作为凝聚态研究者,个人并不了解其中的技术细节,不过从大的框架来说,EMD理论既包含Maxwell电磁场部分,也包括dilaton部分,后者在我们熟悉的电动力学框架中并不存在,但在弦论中确是常见的.通过调节一些模型参数,比如场的质量,人们可以得到各种形式的电阻-温度或者电导-频率依赖行为,适当调节就可以得到看起来与奇异金属特别相似的行为,这就是作者支持EMD理论的主要原因.

当然,目前来说,我们并不能从某个明确的凝聚态模型出发,通过重整化直接得到类似EMD的理论.所以EMD理论与凝聚态的关系更多是建议性的,而非确定性的.也就是说,其实所有人都不知道EMD理论对应什么样的凝聚态模型,当然你也不可能说EMD直接解释了奇异金属行为.毕竟,像Sachdev-Ye-Kitaev模型那样具有直接的引力对应的情况还是很少见的,一般凝聚态现象的引力对应还是处于看起来有点像的状态.

个人感觉,凝聚态的问题可能还需要凝聚态物理人自己来解决,不能把希望完全寄托于其他领域,AdS/CFT也好,机器学习也罢,这些工具虽好,但目前来说还很难解决真正重要的凝聚态多体问题.从Kondo杂质问题到分数量子霍尔效应,没有工具就创造工具一直是凝聚态理论家们的拿手好戏,在我们这一代,或许也会有人创造一套暴力的工具成功解决1980年代留给我们的奇异金属疑难.(这个工具看起来既不是图形微扰理论的扩展,也不是高维玻色化[Khveshchenko,Reckoning with the Mother of all non-Fermi liquids: alien bosonization vs predator holography,arXiv:2211.16365])