陈钢课题组与合作者提出“多味莫特绝缘体”并在《NPJ Quantum Materials》发表综述文章
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心陈钢教授课题组与西湖大学合作者吴从军教授在《NPJ Quantum Materials》上以 “量子材料和超冷原子中的多味莫特绝缘体”（Multiflavor Mott insulators in quantum materials and ultracold atoms）为题发表综述文章。该工作总结了并提出了“多味莫特绝缘体”的概念，并系统梳理了它在量子材料和超冷原子体系中的各种物理实现和行为。
陈钢教授认为综述文章是有价值的， 综述是对杂乱无章的问题的重新分类和归纳，这些散落各处的问题之间的联系并不清楚和直接，而综述可以在这些杂乱无章的问题中找到某些共性和基本特征，把这些问题归类以后，又可以因为这样的归纳总结使得人们具备某种受过“训练”过的大脑和眼光，带着这种新的思维和眼光又可以在未来随机出现的问题中建立联系并提供解决的思路。
陈钢和吴从军是该综述的共同通讯作者，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41535-023-00614-2，Multiflavor Mott insulators in quantum materials and ultracold atoms, Gang Chen & Congjun Wu, NPJ Quantum Materials, 9, 1 (2024).
以下为瑞士洛桑联邦理工学院的Frederic Mila教授为该综述撰写的推荐文章：
1937 年，de Boer 和 Verwey 发现氧化镍是绝缘体，而根据能带理论应该是金属。这类系统的第一个仔细的理论是由莫特在十多年后提出，并被称为莫特绝缘体。如果每个晶胞的电子数量是奇数，并且位点之间的跳跃足够小，则库仑斥力可以稳定电子局域化的状态。这个理论有两个可检测的结果：第一，可通过施加压力来诱导向金属态的转变，因为这会增强电子跃迁和动能；第二，与能带绝缘体不同的是，莫特绝缘体的所有激发并不是都无间隙，而只是电荷激发有间隙。电子的自旋没有被冻结，描述其涨落的最基本模型是Heisenberg模型，这构成了Anderson反铁磁理论的微观基础，因此莫特绝缘体也常被称为磁性绝缘体。
然而，在大量的情形下，这种基本描述是远远不够的。它假设局部自由度可以分为自旋为S角动量的2S + 1状态，并且耦合只是这些角动量之间的标量积，从而产生旋转SU(2)对称。只有磁性离子的部分填充2S自旋-1/2 的电子数构建成自旋-S的磁矩（由于洪德规则耦合）时，这才可能成立，该条件要求自旋数量-1/2等于原子能级数。这是可能的，但不通用。例如，晶体场分裂通常将五个3d能级分裂为具有两倍或三倍简并性的多重态，并且如果自旋数1/2与这种简并性不匹配，则存在另一个自由度来跟踪占据的轨道。由此产生的模型于七十年代提出，被称为Kugel-Khmoskii模型。
过去25年来，发生了两项重大发展。首先，我们已经认识到 Kugel-Khomskii 模型在其他情形下也是相关的，轨道自由度的作用由另一个自由度代替。例如，在由弱耦合三角形组成的kagome晶格上的自旋1/2莫特绝缘体中，相关的低能模型基于三角形的基态流形，该三角形由两个自由度,总自旋和手性自由度，用于跟踪基态相对于三角形三重旋转轴的对称性。
另一个主要的概念发展是认识到，在许多情形下，局部自由度不能被描述为 SU(2) 对称群的表示，而是另一个对称群的表示，例如 SU(N)。考虑三个局部自由度的情况，这可以被视为 SU(2) 的自旋 1，或 SU(3) 的基本表示。由此产生的基本模型非常不同。对于自旋-1，Heisenberg模型在状态 + 1和 − 1之间没有矩阵元，而对于SU(3)的基本表示，SU(3) Heisenberg模型是所有状态之间的量子排列， − 1, 0 和 + 1。与SU(N)的联系首先是在轨道简并性的背景下实现的。事实上，Kugel-Khomskii 模型有一个对称版本，其基本表示形式相当于 SU(4) Heisenberg模型。然而，当人们认识到 SU(N) 的观点是来自于对超冷原子光晶格体系中 N 种费米子态的莫特相的相关描述时，它就获得了广泛的关注。
据笔者(即Frederic Mila)所知，陈钢和吴从军的综述文章是第一篇涉及该问题的各个方面以及物理实现的工作。由于各种物理平台和特性的多样性，这是一个显著的挑战，但结果是值得付出努力的。作者成功地在许多情形下详细描述了额外自由度的物理起源，并且很好地说明了其丰富的物理属性，这些物理属性的范围从轨道有序到局部自由度结合成时的类重子物理的 SU(N) 的单重态表示。最后，他们归纳并提出了一个不错的名称，即“多味莫特绝缘体”，来描述这个广泛且多方面的莫特绝缘体系统。
科学的进步往往是通过交叉融合而实现的，物理学也不例外。像陈钢和吴从军这样的综述文章对于弥合学术界不同领域以及群体之间的差距和传播知识非常有用。我热情地向任何对具有复杂局部自由度的莫特绝缘体感兴趣的物理学家推荐这篇评论文章。
该宣传稿翻译自“Mott physics in the multiflavored age, by Frederic Mila”, npj Quantum Materials volume 9, Article number: 30 (2024)。