过渡金属氧化物中关联效应和自旋轨道耦合的相互影响及导致的新奇量子相的研究

In this project, we will study the 5d transition metal oxides,which have recently attracted considerable interest. We will focus on the effects of the interplay between the strong correlation effects and the spin-orbital couplings on the physical properties of materials. To understand the novel physical properties of the 5d transition metal oxides revealed by experiments, we will theoretically study the effects of the spin-orbital couplings in determining the electonic structures of the strong correlation systems, make known about several novel quantum phases and the competiion or coexistence of them in the 5d transition metal oxides, and clarify the mechanism of the phase transitions. Then, we will study the charge and spin dynamics of the doped systems for the different parent electronic states to reveal the characteristic of the charge and spin excitations. And, based on these studies, we will theoretically research the possibility of superconductivity in 5d materials and make a comparision with iron-based and cuprate superconductors to give a depth understanding of the superconducting mechanism in some strong correlation systems.

本项目计划以最近引起广泛关注的5d过渡金属氧化物为研究对象，重点研究其中电子强关联效应和自旋- - 轨道耦合的相互影响及导致的新奇物理性质。我们将在理论上研究自旋- - 轨道耦合在决定关联电子系统电子结构中的作用， 揭示5d过渡金属氧化物系统中可能出现的新奇量子相，研究各种量子相之间的竞争或共存，阐明其相变机理,以理解实验揭示出的若干5d过渡金属氧化物中的新奇物性。针对不同的母体电子态，研究相应的掺杂系统的电荷和自旋动力学性质，揭示其电荷和自旋激发特征，从理论上探索在5d材料中实现超导的可能性，并与铁基、铜基超导性质进行对比，以期加深对一类强关联超导机理的认识。

按照项目研究计划，我们针对近期引起广泛关注的具有强自旋轨道耦合的4d和5d过渡金属体系，研究了它们的基态以及电荷和自旋动力学性质。提出了描写临近自旋液体基态材料α-RuCl3的低能有效自旋模型--我们命名为K-Г的模，即只含Kitaev 交换作用（K 项）和非对角交换作用（Г项），并与中子散射实验组合作，通过跟实验数据的拟合，确认了Kitaev 相互作用在这一真实材料中的存在；基于赝自旋涨落机制，解释Sr2IrO4中的赝能隙和费米弧现象；，提出了利用parafermion 投影对称群对可能的SU(n)自旋液体进行分类的新方法；给出了三角格子上Kitaev-Heisenberg 模型的相图、可能的自旋液体态和超导性；还研究了单电子掺杂铜氧化合物莫特绝缘体态和铁基超导体中电子向列相的准粒子散射相干性质等。这些理论结果对理解强自旋轨道耦合过渡金属体系的物理性质具有重要意义。