超导和关联体系研究进展
编者按：
超导电性作为一种宏观量子现象,自1911年被发现以来,一直是凝聚态物理研究的前沿课题。与超导相关的研究已产生5次诺贝尔物理学奖。超导相关的基础研究主要沿着两个方向发展：一方面是不断探索具有更高超导温度或奇异特性的新的超导体,另一方面是理解超导电性相关的物理和机理。1986年铜氧化物高温超导体的发现,对凝聚态物理中两个成功的经典理论——描述金属行为的朗道费米液体理论和描述传统超导电性的BCS理论提出了挑战,揭开了对关联电子体系研究的全新篇章。关联电子体系的研究,是要探测材料中的电荷、自旋、轨道及晶格振动及其相互作用,进而理解电荷密度波、自旋密度波、轨道序、超导序及磁有序等多种量子相的共存与竞争如何导致极端和奇异的宏观物理性质,如高温超导电性和庞磁电阻特性等。对超导和关联体系的研究,为发现新材料、新效应和新物态,建立新的多体量子理论提供了契机,充满着惊奇、机遇和挑战。.
本刊特组织“超导和关联体系研究进展”专题,从材料、实验和理论三方面, 汇集了对传统超导体、铜氧化物高温超导体、铁基超导体、重费米子超导体以及其它一些关联电子体系的研究成果和综述, 以帮助读者了解这个领域的最新进展,推动对超导和关联电子体系研究的进一步深入。
2015, 64 (21): 214701.
doi: 10.7498/aps.64.214701
摘要 +
通过第一性原理密度泛函和超导Eliashberg理论计算, 我们研究了Li2C2在Cmcm相的电子结构和电声耦合特性, 预言这种材料在常压和5GPa下是由电声耦合导致的转变温度分别为13.2 K 和9.8 K的超导体, 为实验上探索包含一维碳原子链的材料中是否可能存在超导电性、发现新的超导体提供了理论依据. 如果理论所预言的Li2C2超导电性得到实验的证实, 这将是锂碳化物中转变温度最高的超导体, 高于实验观测到的LiC2的1.9 K和理论预言的单层LiC6的8.1 K超导转变温度.
2015, 64 (21): 217101.
doi: 10.7498/aps.64.217101
摘要 +
费米子符号在费米液体理论中至关重要. 然而, 在Mott绝缘体中, 很强的电子Coulomb相互作用抑制了体系的电荷涨落并消除了电子交换带来的费米子符号问题. 本文首先回顾二分晶格上Hubbard模型的相位弦理论, 从弱关联的费米液体到强关联的反铁磁Mott绝缘体的转变可以由此得到统一理解. 在任意Coulomb作用强度U下, 我们首先导出Hubbard模型的严格的符号结构. 在小U极限下, 它回到通常的费米子符号; 在大U极限下, 它给出了t-J模型的相位弦符号. 在半满情形下, 我们构造了一种电子分数化的表象, 其中, 电荷子与自旋子通过演生的交互Chern-Simons规范场相互耦合. 由此导出的基态波函数拟设与低能有效理论可以定性刻画Hubbard模型的基态相图. 在弱关联区域, 费米液体的准粒子由电荷子与自旋子的束缚态构成, 其长程相位相干性取决于背景自旋的关联性质. 体系的Mott转变可以通过电荷子打开能隙或是通过自旋子玻色凝聚来实现.
2015, 64 (21): 217102.
doi: 10.7498/aps.64.217102
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大部分铁基超导体的正常态呈现坏金属行为, 这表明体系中存在较强的电子关联效应. 最近的实验与理论研究显示, 铁基超导体中的电子关联具有多轨道的特征. 本文介绍与评论铁基超导体多轨道哈伯德模型中电子关联方面理论研究的最新进展; 着重讨论以隶自旋技术为代表的一系列量子多体计算方法在研究多轨道系统中金属绝缘体相变的应用. 理论计算给出了铁基超导体多轨道哈伯德模型基于电子关联的基态相图. 在对应母体化合物的电子填充数时, 基态存在从金属到绝缘体的莫特转变. 临近莫特转变, 体系呈现坏金属行为; 其电子性质存在较强的轨道选择性. 轨道选择性的强弱与体系中的洪德耦合和轨道的晶体场劈裂密切相关. 对钾铁硒系统, 研究发现其基态相图存在轨道选择莫特相: 其中铁的3d xy轨道已被莫特局域化, 但其他3d轨道电子仍具有巡游性. 这一新相的发现, 对理解以钾铁硒为代表的一大类铁基超导体正常态与超导之间的联系提供了重要线索.
2015, 64 (21): 217401.
doi: 10.7498/aps.64.217401
摘要 +
与其他非常规超导系列相比, 重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序, 超导与各种竞争序相伴而生, 电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关, 扩充了非常规超导的研究内容. 重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成, 表现出局域与巡游的二重性. 重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.
2015, 64 (21): 217402.
doi: 10.7498/aps.64.217402
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铜氧化物高温超导体的发现, 打破了基于电声子相互作用BCS理论所预言的超导转变温度极限, 掀开了高温超导材料探索和高温超导机理研究的序幕. 根据掺杂类型的不同, 铜氧化物超导材料可以分为空穴型掺杂和电子型掺杂两类. 受限于样品, 对电子型掺杂铜氧化物的研究工作远少于空穴型掺杂体系. 本文简要回顾有关电子型掺杂铜氧化物超导体近期研究成果, 通过对比电子型掺杂和空穴型掺杂铜氧化物的相图来阐明电子型掺杂铜氧化物的研究对探索高温超导机理的必要性, 并特别针对电子型掺杂样品制备中的关键因素“退火过程”展开讨论. 结合课题组最新实验结果和相关实验报道我们发现电子型掺杂铜氧化物超导体在制备过程中除受到温度和氧分压的影响外, 退火效果还受到界面应力的强烈调制. 在综合考虑样品生长过程中温度、气氛及应力等多种因素的基础上, 探讨了“保护退火”方法导致电子型体系化学掺杂相图变化的起因.
2015, 64 (21): 217403.
doi: 10.7498/aps.64.217403
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非中心对称超导体是近年发现的一类新型超导材料. 在这类材料中, 非中心对称的晶体势场产生一个有效的反对称自旋-轨道耦合(ASOC)并导致自旋简并的能级发生分裂, 从而在超导配对态中允许自旋单态和自旋三重态混合. 这一性质有别于先前研究的大部分超导体, 需要从概念上突破BCS理论框架. 此外, 理论研究还表明非中心对称超导可能还是一类潜在的拓扑超导材料. 这些独特的物理性质已激发了广泛的研究兴趣, 并且越来越受到关注.#br#超导序参量的对称性是认识和理解超导形成机理的一个重要物理量. 本文将介绍基于隧道二极管的伦敦穿透深度测量技术, 并简要综述非中心对称超导的研究现状以及穿透深度测量在非中心对称超导序参量研究中的应用. 通过对比研究具有不同反对称自旋-轨道耦合强度的非中心对称超导材料, 我们发现其混合超导配对态与反对称自旋-轨道耦合强度缺乏简单的对应关系, 但与能带劈裂(E_ASOC)相对于超导转变温度(Tc)的比值(Er=EASOC/Tc)紧密相关.
2015, 64 (21): 217404.
doi: 10.7498/aps.64.217404
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铁基超导体呈现丰富的电子相图, 各种有序态相互交叠. 本文主要介绍利用核磁共振手段在空穴型和电子型掺杂的BaFe2As2以及LaFeAsO1-xFx这三种具有代表性的铁基超导体中探测到的反铁磁序与超导序的微观共存、量子临界点和量子临界行为. 实验发现, 无论在空穴型还是电子型掺杂的铁基超导体中, 反铁磁相变温度都随着掺杂被抑制, 并最终在某个掺杂量降到零温而形成量子临界点. 在反铁磁转变温度之上存在结构相变, 其转变温度也随着掺杂而降低. 核磁共振谱证实结构相变也形成一个量子临界点. 本文介绍核磁共振及输运测量揭示的这两种量子临界点附近存在的量子临界行为, 共存态下奇异的超导性质等.
2015, 64 (21): 217405.
doi: 10.7498/aps.64.217405
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超导自发现以来, 已成为凝聚态物理领域最重要的方向之一. 近年来, 低维材料制备技术的进步使得一维或二维的超导特性实验研究成为可能. 本文在简要介绍超导现象的基础上, 重点回顾了近些年二维超导薄膜和一维超导纳米线的制备和电输运研究, 以及在低维超导体中发现的相移、近邻效应、铁磁超导相互作用和高温超导等新奇的现象, 并对该领域的进一步发展做出了展望.
2015, 64 (21): 217406.
doi: 10.7498/aps.64.217406
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在凝聚态物理研究中, 压力作为对物质状态调控的独立变量得到了广泛的应用. 压力对发现物质的新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了重要的作用, 尤其在超导电性的研究中取得了巨大的成功. 文章简要的介绍了通过利用压力手段对具有相分离结构的碱金属铁硒基超导体AxFe2-ySe2 (A=K, Rb, Tl/Rb)开展的系列研究所取得的实验结果, 以及其他一些文献中报道的在此方面的主要实验与理论研究工作, 包括压力导致的超导再进入现象和其产生的量子临界机理、其特有的反铁磁绝缘体相在该类超导体实现超导电性中的作用、化学负压力对超导电性的影响、构成该类超导体的反铁磁序与其寄居的超晶格的关系等.
2015, 64 (21): 217502.
doi: 10.7498/aps.64.217502
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以SrO和CrO2为原料, 在高温高压的条件下直接反应生成纯相的K2NiF4结构的Sr2CrO4多晶样品. 结构用粉末X射线衍射及GSAS精修表征. 磁化率测试显示样品存在一个弱的反铁磁相变, 奈尔温度为TN=95 K. 在奈尔温度以上, 磁化率随温度的变化遵循居里-外斯定律. 对样品进行了电阻测试, 结果显示了样品的绝缘特性.
