多環芳香烴有機超導體的理論研究

《多環芳香烴有機超導體的理論研究》是依託湖北大學，由黃忠兵擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：多環芳香烴有機超導體的理論研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：黃忠兵
• 依託單位：湖北大學

項目摘要

非常規超導態和與之緊密聯繫的其他競爭態是目前巨觀量子態研究領域的重要研究方向。最近三年陸續發現的多環芳香烴有機超導體為該方向提供一個新的材料體系。正確理解多環芳香烴有機超導體中超導特性與芳香烴分子結構、分子尺寸、以及摻雜電子濃度之間的關係可以充分利用該類分子種類眾多、易於在原子尺度裁剪的優勢有效調控它的超導巨觀量子態並加以實際套用。在本項目中，我們計畫結合多種理論研究方法（量子蒙特卡羅、第一性原理、平均場方法等）從三個方面系統研究多環芳香烴有機超導體的物理特性：（1）基於描述單個芳香烴分子的哈伯德模型研究分子內磁性和電子對束縛能隨摻雜電子濃度的變化；（2）基於第一性原理導出的分子晶體對應的低能擴展哈伯德模型，研究整個分子晶體內磁有序、電荷分布、以及軌道序等特徵；（3）電子關聯對電聲子相互作用的重整化以及電聲子相互作用模型中超導特性與摻雜電子濃度的依賴關係。

結題摘要

自2010年起陸續發現的多環芳香烴有機超導體激發了凝聚態物理學界極大的研究興趣。合成高質量的超導樣品並理解多環芳香烴的超導特性可以有效調控它們的超導巨觀量子態並加以實際套用。在本項目中我們採用第一性原理和量子蒙特卡羅等理論研究方法、以及多種實驗方法系統地研究了多環芳香烴超導體的合成和物理特性，具體研究工作包括：（1）基於描述芳香烴分子的單軌道哈伯德模型研究了菲、苉、1,2:8,9二苯並五苯、以及其它含4-6個苯環的芳香烴分子的磁性及其電子對束縛能特性。研究結果表明摻入兩個電子的帶電芳香烴分子處於極化的自旋三重態。該結果可以統一地解釋實驗觀測到的超導樣品在正常態顯示的局域磁矩和大的磁化率。電子對束縛能的計算結果表明電子關聯在物理相關的參數區間不足以產生菲、苉分子內的電子配對。（2）採用第一性原理計算方法系統研究了鉀、鋇、鑭摻雜菲的晶體結構和電子結構。我們發現Ba2phenanthrene為鋇摻雜樣品中的主要成分，而非猜想的Ba1.5phenanthrene。鑭摻雜時鑭原子的5d電子對費米能級附近的態密度具有重要的貢獻，而且每個鑭原子實際轉移一個電子到菲分子上，這與鹼金屬摻雜體系存在顯著的區別。（3）採用第一性原理計算方法系統研究了鉀摻雜苉的晶體結構、電子結構以及磁性。研究結果表明存在鉀苉化學比為2:1和3:1的兩個穩定結構，前者為半導體、後者為金屬。該結果有助於理解鉀摻雜苉中的兩個超導相。（4）採用高真空燒結法開展了鉀摻雜芳香烴有機超導體的實驗研究工作。成功合成了分子層內含兩個鉀原子，而分子層間含一個鉀原子的鉀摻雜菲分子晶體。在鉀摻雜對三聯苯中成功合成了C60和石墨，並測量到10.00K和6.42K兩個未報導的超導臨界轉變溫度。（5）採用數值計算方法探討了鐵基高溫超導體中的電子向列相、磁性、以及超導特性。我們的研究結果已經發表在Scientific Reports, Journal of Chemical Physics, Physical Review B 等國際刊物上，並申請中國發明專利一項。