費米-狄拉克分布在三種不同溫度下，包括絕對零度（藍線）。圖檔來源：Lauro B. Braz/Wikimedia Commons。https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FermiDist.png
來自德國和新加坡的研究人員研究了費米液體的一種非平衡狀态，稱為Floquet費米液體（FFL），它是在費米液體受到周期性驅動力并與費米子浴保持接觸時形成的。
費米液體是量子力學系統，其中費米子（如金屬中的電子）在絕對零度溫度下共同表現可預測，相當于 0 開爾文或 -273.15°C。
費米子是宇宙中兩類基本粒子之一，它們服從費米-狄拉克（FD）統計。這描述了當系統處于熱平衡狀态時它們的分布。
在這裡，我們遇到了一個有趣的量子系統，稱為費米液體。術語“費米液體”來自這樣一種想法，即類似于液體如何自由流動并可以改變形狀，費米液體中的費米子由于它們的集體行為而在材料中相對自由地移動。
對于費米液體，費米子的行為以費米面為特征。費米面标志着費米液體能态的分離，表明費米子占據的填充和空能态。
研究人員的動機是了解當周期性驅動力施加到電子上時，電子會發生什麼，同時與費米子熱浴相結合。
這項研究發表在《實體評論快報》上，由德國萊比錫大學的Li-kun Shi博士和Inti Sodemann Villadiego博士以及新加坡南洋理工大學的Oles Matsyshyn博士和Justin C. W. Song博士進行。
Phys.org 與研究人員進行了交談，他們引用了一個他們希望回答的更大的問題：即使材料不吸收光，光電流（照亮材料産生的電流）是否存在于純塊狀晶體（如金屬和半導體）中？
這個問題将他們引向了Floquet費米液體。
Floquet 費米液體
在費米液體中，能态是連續的，充滿能态低于費米能，空态高于費米能。費米能級标志着找到費米子态的機率從接近 100% 占據過渡到接近 0% 占據的能級。
在絕對零度下，費米能量之前的所有狀态都被填滿，而費米能量以上的所有狀态都是空的。這個能級有效地定義了動量空間中的費米面：一個有助于可視化物質内部發生的事情的理論概念。
當我們對費米液體施加周期性力時，它的正常能級被修改為Floquet能帶，這是由于驅動力而改變的費米液體能級。把它想象成在水面上形成的漣漪。
研究人員現在想了解，如果這個系統遠離平衡，會發生什麼。為此，研究人員引入了費米子浴，這是一個由費米子組成的儲層或環境。
研究人員發現，由此産生的費米液體處于非穩态平凡狀态，稱為Floquet費米液體。他們發現，所得液體不符合典型的FD統計資料。
FD 樓梯和嵌套曲面
在這種情況下，FFL 狀态被認為是非平凡的，因為它是周期性驅動力、費米子互相作用和周圍環境互相作用的結果。
能量狀态的平滑躍遷，類似于在平衡FD分布中通常觀察到的單次跳躍，能量狀态的占領顯示出具有多次跳躍的階梯狀模式。
“每一次跳躍都會導緻新的費米面（Floquet費米面）的出現，”史博士解釋說。
“以FFL狀态出現的Floquet費米曲面是互相封閉的，”Matsyshyn博士補充道。
把它想象成分層的費米曲面，類似于俄羅斯的套娃情況。這些浮動費米曲面會影響整個系統的行為，進而産生特定的現象。
量子振蕩中的跳動模式和控制電子行為
量子振蕩是材料特性（如電阻）的周期性變化，是磁場或壓力等外部參數的函數。
在FFL的情況下，研究人員觀察到在外部磁場影響下的量子振蕩中的跳動模式。
這些圖案是由于不同大小的Floquet費米曲面之間的幹涉而産生的，這些曲面互相嵌套。多個Floquet費米表面的存在導緻建設性和破壞性幹涉效應，導緻電阻振蕩。
“量子振蕩中的跳動模式與在二維電子系統中觀察到的微波誘導電阻振蕩（MIRO）實驗一緻，”宋博士解釋說。
它們還提供了一種設計和定制系統電子行為的方法。
Villadiego博士說：“多個費米面的存在可以更好地控制系統的電子特性。通過調整光頻率或強度，我們可以操縱Floquet費米曲面的形狀和分離。
這為控制電子行為提供了新的可能性。
潛在應用和見解
研究人員指出的最有趣的教訓之一是，正如史博士所說，穩态不應該被看作是“一種無聊的、稍微熱的平衡FD分布版本”。
“相反，系統接近穩态，其能量密度高于平衡态，但這種多餘的能量不會以某種無特征的熱量存儲，而是導緻非常精确的重新排列狀态的占據，保持精确的量子性質，”Matsyshyn博士說。
研究人員還提供了通過實驗實作FFL所要滿足的條件或标準。他們還列出了未來工作的幾種潛在途徑，其中之一是散裝材料中光電流的原始問題。
“使用我們的Floquet費米液态，人們可以嚴格證明，即使是純粹的單色光也确實有可能驅動淨整流電流，即使其頻率在間隙内，”Villadiego博士說。
“這些想法可能與新型光電技術的發展有關，如光放大器、傳感器、太陽能電池和能量收集裝置，”宋博士總結道。
更多資訊：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
期刊資訊： 實體評論快報 ,arXiv