關聯電子系統中的新奇量子態及量子相變

《關聯電子系統中的新奇量子態及量子相變》是依託清華大學，由王亞愚擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：關聯電子系統中的新奇量子態及量子相變
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王亞愚
• 項目類別：重點項目

項目摘要

在低維材料中，電子之間的強相互關聯可以誘導出極其新穎的物理現象。這些嶄新的量子基態難以用傳統的費米液體理論來解釋，其相互間的量子相變也不能用經典的朗道相變理論來描述。對關聯體系中新奇物性和相變機制的研究將引起當代凝聚態物理的新變革，並為人類對這些新穎材料的利用奠定基礎。在本項目中，我們將利用極低溫、超強磁場中的電、磁、熱測量和低溫超高真空的掃描隧道顯微鏡，對高溫超導體、鈉鈷氧體系和自旋液體等三類具有代表性的強關聯電子體系進行系統的實驗研究，並將對實驗結果進行深刻的理論探討。我們希望通過尋找在極端條件下電子反常行為的共性，從微觀層次上加深對關聯體系中電荷和自旋有序態的形成機制、完全無序量子態的存在機制、各個量子基態相互之間的相變機制以及反常臨界行為等重大問題的理解。

結題摘要

在本項目中，我們的研究基本圍繞項目計畫書展開，由於鐵基超導體和拓撲絕緣體在2008年前後的出現而做了適當的調整。項目成員在鐵基超導體配對對稱性、鐵基和銅氧化物高溫超導體局域電子結構、高溫超導理論以及拓撲絕緣體量子輸運性質研究等方面均取得了一定的進展，較好地完成了計畫書的科研目標。在本項目資助下共發表或已接受論文36篇，其中包括Nature Communications 2篇，Phys. Rev. Lett. 7篇，Phys. Rev. 系列18篇。共培養畢業博士研究生7名，碩士研究生4名。項目成員多次參加國際國內學術會議，並參與組織了“北京高溫超導論壇”，10名博士研究生曾赴國外一流研究機構訪問交流。 主要研究進展如下： 1. 在鐵基超導體的配對對稱性方面，我們主要對各種鐵基超導體進行了極低溫、強磁場中的電熱輸運性質測量，對它們的超導能隙結構和超導機理進行了很好的闡明。我們發現KFe2As2的超導能隙具有節點，很可能具有d波對稱性，而與之相反，最佳摻雜和過摻雜的NaFe1-xCoxAs其超導能隙沒有節點並且各向異性較小。 2. 在鐵基和銅氧化物高溫超導體局域電子結構方面，我們利用掃描隧道顯微鏡（STM）在LaOFeAs體系中發現了一個具有二次對稱性的表面態，在KFe2Se2中發現一個電荷密度波的超結構可能與超導相共存，在NaFe1-xCoxAs體系中發現了從母體的自旋密度波態（SDW）到超導態到一個“類似贗能隙態”的電子結構演變， 在Ca2CuO2Cl2莫特絕緣體母體中首次觀測到Mott-Hubbard能隙以及單個電荷摻雜所誘導的電子態。 3. 在鐵基超導理論研究中，我們提出了巡遊電子與局域自旋相互作用的模型來定性解釋SDW序的產生和超導機理。在氧化物高溫超導機理方面的理論研究中，建立了超導轉變溫度與內稟激發態：自旋-旋子之間的定量關係。我們提出的一個非BCS的新型超導波函式，能精確描述反鐵磁相併在摻雜時滿足嚴格的摻雜Mott絕緣體的統計符號規則。 4. 在拓撲絕緣體的量子輸運研究方面，我們發現在超薄的Bi2Se3拓撲絕緣體中，電子-電子相互作用誘導一個絕緣的基態；在Cr摻雜的Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜中，磁性雜質破壞了時間反演對稱性並誘導了從弱反局域化到弱局域化的轉變；通過能帶調製技術，製備了Bi2Te3和Sb2Te3混合的三元體系，並獲得本徵拓撲絕體。