北理工在高溫超導(dǎo)機(jī)理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-11-16 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院楊帆教授與合作者在高溫超導(dǎo)機(jī)理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)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(xué)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(dāng)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(dǎo)。量子自旋液體是一類特殊的自旋體系，這些體系當(dāng)溫度一直降到零溫都不進(jìn)入磁有序和其它自發(fā)對稱破缺相，從而超出Landau關(guān)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(jīng)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(dǎo)致超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。Anderson的理論雖然深刻而合理，但長久以來未能在一個真實(shí)的實(shí)際材料或者簡單的模型體系中實(shí)現(xiàn)。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(rèn)為摻雜后導(dǎo)致高溫超導(dǎo)。后來，該二模型體系均被多種數(shù)值計(jì)算結(jié)果判定為磁有序態(tài)，從而無法實(shí)現(xiàn)自旋液體。然而，近年來涌現(xiàn)出一個倍受關(guān)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(shí)驗(yàn)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(shù)值結(jié)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(dǎo)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(yīng)的t-J模型作計(jì)算。在該變分研究中采用了一種新型的波函數(shù)：即對原半滿時的投影平均場態(tài)作所謂SU(2)-規(guī)范旋轉(zhuǎn)，并將相應(yīng)的規(guī)范旋轉(zhuǎn)角度作為變分參數(shù)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(shù)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)導(dǎo)致整體U(1)規(guī)范對稱性破缺，從而產(chǎn)生超導(dǎo)。有趣的是，在該超導(dǎo)態(tài)下，體系的Bogoliubov準(zhǔn)粒子具有費(fèi)米面，從而體系的元激發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)的費(fèi)米液體類似。比如，這種類似性可以體現(xiàn)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(fèi)米液體所不具備邁斯納效應(yīng)和零電阻。這是一種新穎罕見的超導(dǎo)態(tài)，起源于強(qiáng)關(guān)聯(lián)所致的帶間配對。該結(jié)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(fèi)米面的超導(dǎo)態(tài)。該工作一方面為Anderson的理論找到一個可能的實(shí)際體系實(shí)現(xiàn)，另一方面得到了一個新穎的超導(dǎo)態(tài)，具有重要理論價值。
該論文工作發(fā)表在物理學(xué)頂尖期刊 Phys. Rev. Lett. 127,187003 (2021)。上海科技大學(xué)蔣易凡副教授為論文第一作者。楊帆教授和清華大學(xué)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(xué)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(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)、準(zhǔn)晶超導(dǎo)等領(lǐng)域作出一系列研究結(jié)果。五次承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，獲得教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才稱號。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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