北理工團隊在準晶關聯(lián)電子態(tài)領域取得突破性進展
發(fā)布日期：2024-09-27 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
準晶是一種特殊的長程有序結(jié)構(gòu)，它具有取向序但缺乏平移周期。自從1984年以色列物理學家D. Shechtman在現(xiàn)實材料中發(fā)現(xiàn)準晶結(jié)構(gòu)以來，這種結(jié)構(gòu)正逐步引起了凝聚態(tài)物理學界的廣泛關注。最初，對準晶的研究主要集中在晶格幾何以及晶格動力學。近年來，對準晶電子結(jié)構(gòu)的研究逐步提上日程。該領域的關注焦點在于探尋存在于準晶結(jié)構(gòu)當中的新型電子態(tài)。特別是，準晶結(jié)構(gòu)能否誘導出在通常周期晶格中所禁戒的電子相？
北京理工大學物理學院楊帆教授團隊與合作者考慮準晶中由于相互作用而誘導的電子有序相，取得了一系列重要進展。在前期工作Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 287411 (2022)中，該團隊發(fā)現(xiàn)即使無窮微弱的吸引力也可以誘導準晶中的庫伯配對，這為準晶中超導現(xiàn)象的普遍存在打下概念基礎。在工作Phy. Rev. Lett. 125, 017002 (2020)中，該團隊對準晶的超導進行分類，發(fā)現(xiàn)了多種非常規(guī)超導，并闡明了準晶中超導區(qū)別于周期晶格中的超導的二個普適規(guī)律：自旋統(tǒng)計與配對角動量獨立；手征超導具有自發(fā)體超流。在工作Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66, 290312 (2023)中，該團隊發(fā)現(xiàn)由于平移對稱性的缺失導致準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，該團隊提出二維轉(zhuǎn)角準晶可以用來實現(xiàn)多種在周期晶格中不能實現(xiàn)的高角動量拓撲超導。在工作Nat. Commun. 14:7926(2023)中，該團隊提出45度轉(zhuǎn)角的銅基超導準晶可以用來實現(xiàn)新型的帶四倍電荷的非常規(guī)超導以及手征金屬態(tài)。
圖1（a）彭羅斯準晶示意圖。（b）體系的超導配對模式。
在本工作中，楊帆教授團隊以彭羅斯晶格（圖1（a））為例來研究準晶電子態(tài)。考慮到電子-電子相互作用，該研究團隊采用標準的Hubbard模型來研究準晶中的關聯(lián)電子態(tài)。通過采用他們前期發(fā)展的用于處理準晶電子關聯(lián)特性的實空間無規(guī)相近似方法，該團隊發(fā)現(xiàn)由Kohn-Luttinger機理可以驅(qū)動非常規(guī)超導。當中通常的Anderson定理被破壞。如圖1（b）所示，在體系的配對模式中，每個單粒子態(tài)不再僅限于與其時間反演態(tài)進行配對，而是同時與多個態(tài)存在配對的可能性，并存在量子疊加。這樣得到的超導通常是無能隙超導，其準粒子激發(fā)特性與費米液體類似。這種無能隙超導態(tài)將有利于向列序超導態(tài)的產(chǎn)生。
圖2 向列序超導的相圖。其中（a）為重整化群計算結(jié)果；（b）為蒙特卡洛計算結(jié)果。不同相由顏色區(qū)分。
該工作繼續(xù)深入研究準晶中向列序超導相的高溫配對漲落效應，得到有限溫的相圖。工作中通過金茲堡 -- 朗道理論分析，得到描述超導位相漲落的低能有效哈密頓量。繼而，通過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的相圖相比，其主要區(qū)別在于多出B與C二種相，即準向列超導與準向列金屬相。此二相的重要特征在于離散的晶格旋轉(zhuǎn)對稱性破缺被部分恢復，導致空間關聯(lián)隨距離增加呈冪律衰減。這是一種擴展的臨界區(qū)，它由準晶特有的五次或者更高次的旋轉(zhuǎn)對稱性來保護，在通常周期晶格中是被禁戒的，因而是一種新型的關聯(lián)電子相，體現(xiàn)了準晶獨特的晶格結(jié)構(gòu)特性。
該論文發(fā)表在國際頂尖期刊Phys. Rev. Lett. 133，136002（2024），并被編輯特別推薦為“PRL Editor’s suggestion”，在PRL主頁上展示。在該期刊發(fā)表的論文當中，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。楊帆教授指導的博士生劉玉波和重慶郵電大學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)、鎳基超導、準晶電子態(tài)等領域作出一系列重要研究結(jié)果。六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。總引用率2500余次。
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