北理工團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)晶關(guān)聯(lián)電子態(tài)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-09-27 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
準(zhǔn)晶是一種特殊的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，它具有取向序但缺乏平移周期,。自從1984年以色列物理學(xué)家D. Shechtman在現(xiàn)實(shí)材料中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)以來(lái),，這種結(jié)構(gòu)正逐步引起了凝聚態(tài)物理學(xué)界的廣泛關(guān)注,。最初，對(duì)準(zhǔn)晶的研究主要集中在晶格幾何以及晶格動(dòng)力學(xué),。近年來(lái),，對(duì)準(zhǔn)晶電子結(jié)構(gòu)的研究逐步提上日程。該領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)在于探尋存在于準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)當(dāng)中的新型電子態(tài),。特別是,，準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)能否誘導(dǎo)出在通常周期晶格中所禁戒的電子相？
北京理工大學(xué)物理學(xué)院楊帆教授團(tuán)隊(duì)與合作者考慮準(zhǔn)晶中由于相互作用而誘導(dǎo)的電子有序相,，取得了一系列重要進(jìn)展,。在前期工作Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 287411 (2022)中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)即使無(wú)窮微弱的吸引力也可以誘導(dǎo)準(zhǔn)晶中的庫(kù)伯配對(duì),，這為準(zhǔn)晶中超導(dǎo)現(xiàn)象的普遍存在打下概念基礎(chǔ),。在工作Phy. Rev. Lett. 125, 017002 (2020)中，該團(tuán)隊(duì)對(duì)準(zhǔn)晶的超導(dǎo)進(jìn)行分類,，發(fā)現(xiàn)了多種非常規(guī)超導(dǎo),，并闡明了準(zhǔn)晶中超導(dǎo)區(qū)別于周期晶格中的超導(dǎo)的二個(gè)普適規(guī)律：自旋統(tǒng)計(jì)與配對(duì)角動(dòng)量獨(dú)立；手征超導(dǎo)具有自發(fā)體超流,。在工作Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66, 290312 (2023)中,，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由于平移對(duì)稱性的缺失導(dǎo)致準(zhǔn)晶中順磁超流密度的增加，從而抑制總超流密度,。在工作Phys. Rev. B 107, 014501 (2022)與Phys. Rev. B 108, 064508 (2023)中,，該團(tuán)隊(duì)提出二維轉(zhuǎn)角準(zhǔn)晶可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多種在周期晶格中不能實(shí)現(xiàn)的高角動(dòng)量拓?fù)涑瑢?dǎo),。在工作Nat. Commun. 14:7926(2023)中，該團(tuán)隊(duì)提出45度轉(zhuǎn)角的銅基超導(dǎo)準(zhǔn)晶可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)新型的帶四倍電荷的非常規(guī)超導(dǎo)以及手征金屬態(tài),。
圖1（a）彭羅斯準(zhǔn)晶示意圖,。（b）體系的超導(dǎo)配對(duì)模式。
在本工作中,，楊帆教授團(tuán)隊(duì)以彭羅斯晶格（圖1（a））為例來(lái)研究準(zhǔn)晶電子態(tài),。考慮到電子-電子相互作用,，該研究團(tuán)隊(duì)采用標(biāo)準(zhǔn)的Hubbard模型來(lái)研究準(zhǔn)晶中的關(guān)聯(lián)電子態(tài),。通過(guò)采用他們前期發(fā)展的用于處理準(zhǔn)晶電子關(guān)聯(lián)特性的實(shí)空間無(wú)規(guī)相近似方法，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由Kohn-Luttinger機(jī)理可以驅(qū)動(dòng)非常規(guī)超導(dǎo),。當(dāng)中通常的Anderson定理被破壞,。如圖1（b）所示，在體系的配對(duì)模式中,，每個(gè)單粒子態(tài)不再僅限于與其時(shí)間反演態(tài)進(jìn)行配對(duì),，而是同時(shí)與多個(gè)態(tài)存在配對(duì)的可能性，并存在量子疊加,。這樣得到的超導(dǎo)通常是無(wú)能隙超導(dǎo),，其準(zhǔn)粒子激發(fā)特性與費(fèi)米液體類似。這種無(wú)能隙超導(dǎo)態(tài)將有利于向列序超導(dǎo)態(tài)的產(chǎn)生,。
圖2 向列序超導(dǎo)的相圖,。其中（a）為重整化群計(jì)算結(jié)果；（b）為蒙特卡洛計(jì)算結(jié)果,。不同相由顏色區(qū)分,。
該工作繼續(xù)深入研究準(zhǔn)晶中向列序超導(dǎo)相的高溫配對(duì)漲落效應(yīng)，得到有限溫的相圖,。工作中通過(guò)金茲堡 -- 朗道理論分析,，得到描述超導(dǎo)位相漲落的低能有效哈密頓量。繼而,，通過(guò)玻色化下的解析重整化群與數(shù)值的蒙特卡洛二種不同的方法來(lái)求解該哈密頓量,。二種方法所得到的相圖示于圖2（a、b）,，它們定性上是一致的,。相圖中展示了A-E五種不同的電子相。該相圖和周期晶格的向列超導(dǎo)的相圖相比,，其主要區(qū)別在于多出B與C二種相,，即準(zhǔn)向列超導(dǎo)與準(zhǔn)向列金屬相。此二相的重要特征在于離散的晶格旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺被部分恢復(fù)，導(dǎo)致空間關(guān)聯(lián)隨距離增加呈冪律衰減,。這是一種擴(kuò)展的臨界區(qū),，它由準(zhǔn)晶特有的五次或者更高次的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性來(lái)保護(hù)，在通常周期晶格中是被禁戒的,，因而是一種新型的關(guān)聯(lián)電子相,，體現(xiàn)了準(zhǔn)晶獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)特性。
該論文發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Phys. Rev. Lett. 133,，136002（2024）,，并被編輯特別推薦為“PRL Editor’s suggestion”，在PRL主頁(yè)上展示,。在該期刊發(fā)表的論文當(dāng)中,，只有數(shù)量占比為1/6的少數(shù)特別重要,、特具創(chuàng)新性的論文能獲此編輯推薦,。楊帆教授指導(dǎo)的博士生劉玉波和重慶郵電大學(xué)周晶講師為論文共同第一作者，楊帆教授為論文唯一通訊作者,。
論文連接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.136002
附作者簡(jiǎn)介：
楊帆,，2004年加入北京理工大學(xué)物理系，2013年被聘為教授,。研究方向?yàn)閺?qiáng)關(guān)聯(lián)和超導(dǎo)理論,，在銅氧化物高溫超導(dǎo)、量子自旋液體,、鐵基超導(dǎo),、魔角石墨烯關(guān)聯(lián)電子態(tài)、鎳基超導(dǎo),、準(zhǔn)晶電子態(tài)等領(lǐng)域作出一系列重要研究結(jié)果,。六次承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，獲得教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才稱號(hào),。在國(guó)際高水平刊物發(fā)表論文70余篇,，其中包括在頂尖期刊《Phys. Rev. Lett》上發(fā)表論文11篇，在《Nat. Commun.》發(fā)表論文1篇,?？傄寐?500余次。
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