具有強自旋軌道耦合的強關聯電子體系中的新奇物態

《具有強自旋軌道耦合的強關聯電子體系中的新奇物態》是依託北京大學，由王垡擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：具有強自旋軌道耦合的強關聯電子體系中的新奇物態
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：王垡
• 項目類別：面上項目

項目摘要

有強自旋軌道耦合的材料是凝聚態物理近年來的一個研究熱點,最突出的例子是拓撲絕緣體。但是拓撲絕緣體的電子關聯效應很弱，可以用無相互作用電子很好地描述。理論上已知在自旋軌道耦合和電子關聯強度相當的體系中有許多更新奇的物相，如拓撲Mott絕緣體和Kitaev自旋液體等。這些奇異物相具有更新穎的元激發如自旋子、Majorana費米子，並有可能用於實現拓撲量子計算。目前最有希望實現這些理論預言的體系是各種銥氧化物，但是目前關於這些材料的理論研究大多局限於現象學，非常缺少基於第一性原理方法的可靠理論工作。我們計畫套用大規模的第一性原理電子結構計算為多種銥氧化物構建可靠的電子模型，然後利用多種強關聯理論方法包括隨機相位近似、漲落交換近似、泛函重整化群、投影變分波函式蒙特卡羅、嚴格對角化、微擾級數展開等研究這些模型，得到可靠的理論相圖並預言可觀測的物性行為，為實驗上通過調控結構和組分以實現新物相提供指導。

結題摘要

本項目的初衷是研究有強自旋軌道耦合的強關聯電子系統如銥氧化物，從理論上探索其中可能出現的新奇物理現象。在這方面，我們研究了Na2IrO3的磁序，發現其贗自旋各向異性相互作用造成的磁矩方向與過去的假設不同，這個結果已被同期一個獨立實驗驗證；我們還研究了Tb摻雜的Sr2IrO4，發現Tb和Ir之間有強烈各向異性的自旋-贗自旋相互作用，這為設計新奇磁性體系如compass模型提供了思路。項目進行過程中我們還研究了鐵基超導材料中的向列序、非常規量子相變、拓撲絕緣體中的量子振盪等問題。我們提出FeSe中的磁矩可能因為阻挫構成“向列量子順磁態”，構成向列序而沒有磁長程式，但是有低能的Neel序和stripe序自旋激發，這個預言被後續的中子散射實驗部分證實。我們首次用量子Monte Carlo研究了一個對稱保護的拓撲相發生的對稱破缺相變，發現其體態的臨界行為和非拓撲相沒有區別，但是“邊界臨界行為”完全不同。我們提出能帶反轉構成的拓撲絕緣體，雖然沒有體態Fermi面，但是在有限溫度或極強磁場下可以表現出體態量子振盪。這些結果推進了對相關理論問題的理解，對將來的實驗和理論研究有比較重要的指導作用，均已發表在主要學術期刊上並在相關研究領域產生了一定影響。