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其一是費米液體模型﹔另一是相變中的有序參數觀念(order parameter)。 ... 加上相
一、 量子體(Quantum matters)物理
何謂量子體？乃是挑戰Landau’s paradigms 凝態物質的通稱。[1]量子體與所謂的複雜自適性物質(complex adaptive matters)，亦有異曲同工之妙。[2]
二十世紀後半，物理學者對凝態物質的理解，相當程度建立在Landau的兩個學說上面。其一是費米液體模型﹔另一是相變中的有序參數觀念(order parameter)。費米液體的觀念乃是，電子在多體系統中，經過各種交互作用後，以相互”獨立”的準粒子(quasiparticles)呈現，與電子帶有相同的電荷與自旋，並呈現一定程度的波動性。(見圖一(a))基本上，這個模型正確的描述了一般的金屬、半導體、絕緣體、傳統超導體、spin density wave，charge density wave等廣泛的凝態特性。有序參數的觀念則是每一個相變理論的中心議題。加上相變溫度附近的擾動(flutuations)，令人滿意的解釋了許多一級、二級相變與相變時的臨界指數(critical exponents)。
圖一、 (a)為費米液體模型。(b)為可能發生於量子體的粒子性跳躍。
二、 我們需要新物理嗎？
這個答案端視我們是否能持續的用以上兩個paradigms解釋在凝體裡觀察到的物理特性。雖然以往已確知Landau準粒子的觀念不能適用在如分數量子霍爾效應(FQHE)等現象，但這些現象只是特例嗎？
自二十世紀末到二十一世紀的今天，濫觴自高溫超導體的發現，乃至CMR錳氧化物、NaxCoO2與奈米碳管等，「似乎」都很難用標準的費米液體模型來解釋其特性。因為這個實際的需要，許多新的理論如雨後春筍般的被提出。例如，有學者提議，只要電子間的交互作用夠強，費米液體的準粒子就不再適用。因此，一部分的凝態物理學者認為，為了尋求對量子體的普遍性理解，我們須探索超越Landau’s paradigms的物理。
實驗在這趟二十一世紀心智的新冒險中扮演關鍵性的角色。一方面，實驗必須嚴格檢驗理論對量子體的解釋與預測是否與事實相符。另一方面，實驗發現的新物質與新特性，常是理論與模型尋找新航路的探照燈。更重要的，還有一個最基本的原則，是實驗與理論學家必須以最誠實的態度來確認的。那就是：Landau’s paradigms真的在強關聯電子系統中不再適用嗎？
我們過去這幾年研究強關聯電子系統所累積的知識與實驗能力，應已足以在探討量子體物理時，對這個領域有實質性的影響力。這是個期許，也是很實際的評估。我們將以幾個系統的研究為出發點，發展與量子體有關的物理知識，這些物質都是強關聯電子系統，因此也都是量子體的有力候選。我們將主要針對強關聯電子系統中金屬態與絕緣中的物理特性作研究，探討費米液體在這些物質中是否不再適用、quasiparticle excitation的觀念要不要修正？如何修正？當然，如果這些研究涉及相變問題(幾乎一定會涉及)，我們也會勇敢的迎接挑戰。量子體的知識亦有許多潛在的應用，我們也不會荒廢應用上的研究。
References
[1] T. Sentil, cond-mat/0411275.
[2] D. L. Cox and D. Pines, MRS Bulletin
30, 425 (2005).
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