北理工在高溫超導機理領域取得重要進展
發(fā)布日期：2021-11-16 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院楊帆教授與合作者在高溫超導機理領域取得重要進展,。相關研究成果"Possible Superconductivity with a Bogoliubov Fermi Surface in a Lightly Doped Kagome U(1) Spin Liquid"在國際頂尖刊物《Phys. Rev. Lett》上發(fā)表。
已故的凝聚態(tài)物理學創(chuàng)始人之一,、諾貝爾物理獎獲得者P. W. Anderson曾有一個非常著名的理論：當一個量子自旋液體態(tài)被摻雜入自由載流子之后,，將變成為非常規(guī)超導。量子自旋液體是一類特殊的自旋體系,，這些體系當溫度一直降到零溫都不進入磁有序和其它自發(fā)對稱破缺相,，從而超出Landau關于物態(tài)的一般框架。Anderson指出在這類態(tài)中,，自旋相反的電子之間天然已經形成了配對,，只是由于缺乏自由載流子，從而為莫特絕緣體,。此時,，任意的摻雜將導致超導態(tài)的出現。Anderson的理論雖然深刻而合理,，但長久以來未能在一個真實的實際材料或者簡單的模型體系中實現,。1973年和1987年，Anderson分別提出三角晶格和正方晶格海森伯模型的自旋液體基態(tài),；其中后者被認為摻雜后導致高溫超導,。后來，該二模型體系均被多種數值計算結果判定為磁有序態(tài),，從而無法實現自旋液體,。然而，近年來涌現出一個倍受關注的新自旋體系,，ZnCu3(OH)6Cl2,。該體系具有Kagome晶格（也稱籠目晶格），如下圖（1）所示,。各方面實驗顯示該體系可能為自旋液體,。理論上，國際多個研究組的不同數值結果也支持量子自旋液體基態(tài),。其中可能性最大的態(tài)可以用圖（1）中的投影 π -通量態(tài)近似描述,。然而，對于該體系在摻雜后會形成何種超導態(tài),，此前尚未有系統(tǒng)深入的研究,。
為了對籠目晶格自旋液體在摻雜后的量子態(tài)作研究，楊帆與合作者采用變分蒙特卡洛方法對相應的t-J模型作計算,。在該變分研究中采用了一種新型的波函數：即對原半滿時的投影平均場態(tài)作所謂SU(2)-規(guī)范旋轉,，并將相應的規(guī)范旋轉角度作為變分參數來作能量優(yōu)化。用該方法能得到摻雜后的最低能的投影波函數,。用該方法所得到的相圖如下圖（2）所示,，在小摻雜和大摻雜濃度區(qū)間分別得到SU(2)-規(guī)范旋轉后的投影的 π - 和0- 通量態(tài),。這些態(tài)破壞了晶格平移和時空反演對稱性。而且規(guī)范旋轉導致整體U(1)規(guī)范對稱性破缺,，從而產生超導,。有趣的是，在該超導態(tài)下,，體系的Bogoliubov準粒子具有費米面,，從而體系的元激發(fā)和標準的費米液體類似。比如,，這種類似性可以體現在比熱,、核磁共振、掃描隧道譜等方面,。但是,，體系還具有通常費米液體所不具備邁斯納效應和零電阻。這是一種新穎罕見的超導態(tài),，起源于強關聯(lián)所致的帶間配對。該結果也提示,，對于一大類所謂U(1)自旋液體,，摻雜后普遍可能得到這種具有費米面的超導態(tài)。該工作一方面為Anderson的理論找到一個可能的實際體系實現,，另一方面得到了一個新穎的超導態(tài),，具有重要理論價值。
該論文工作發(fā)表在物理學頂尖期刊 Phys. Rev. Lett. 127,187003 (2021),。上?？萍即髮W蔣易凡副教授為論文第一作者。楊帆教授和清華大學高等研究院姚宏教授為共同通訊作者,。論文受到國家自然科學基金資助,。
論文連接：DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.187003
作者簡介：楊帆2004年加入北京理工大學物理系，2013年被聘為教授,。研究方向為強關聯(lián)和超導理論,，在銅氧化物高溫超導、量子自旋液體,、鐵基超導,、魔角石墨烯關聯(lián)電子態(tài)、準晶超導等領域作出一系列研究結果,。五次承擔國家自然科學基金項目,，獲得教育部新世紀優(yōu)秀人才稱號。在國際高水平刊物發(fā)表論文50余篇,，其中包括在頂尖期刊《Phys. Rev. Lett》上發(fā)表論文七篇,，其中五篇為一作或者通訊作者,。總引用率1000余次,。
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