关联电子体系的软量子相

The nearly degeneracy, competition and cooperative behaviors of multiple quantum phases in strongly correlated materials may lead to marvelous electronic nematic and segregated phases; however, the present phenomenological theories do not disclose microscopic origin and explicit experimental characters based on solid analysis to realistic models, resulting great debates on the existence of these quantum phases. We propose in this project to theoretically study the stability and phase diagrams of electronic nematic, segregated and other soft quantum phases, and temperature dependences of various physical properties in two-band and three-band effective microscopic models for various on-site and long-range Coulomb correlation, Hund's rule coupling and doping by utilizing the multi-orbital slave boson approaches, variational Monte Carlo, and other self-consistent many-body methods, to elucidate the microscopic mechanism of the long-range Coulomb correlations and entropy in stabilizing these soft quantum phases, to address the influences of short-range charge order and thermal fluctuations, in addition to spin and orbital fluctuations, on these unusual phases, and to establish a self-consistent and complete novel scenarios of these soft quantum phases. This project will not only benefit our understanding to rich phase diagrams and anomalous properties in high-temperature superconducting cuprates and ironpnictides, but also provide useful clues for experimentists to discover novel phenomena and new electronic material with particular functions.

强关联电子材料中多个量子相接近简并并相互竞争和合作有可能导致向列相和相分离等各种新奇量子相；然而目前的唯象理论未能给出这些软量子相的微观起源及其实验结果的分散性，导致了对它们是否存在的极大争议。本项目提出研究几类典型关联电子体系铜氧和铁基等化合物中电子向列相和电子相分离的微观起源和表征；利用我们发展的多轨道隶玻色子和变分蒙特卡洛等多体方法，通过研究两带和三带有效微观模型中电子向列相和分离相等量子相对在位和长程库仑关联、洪特耦合、掺杂等各种物理参数下的稳定性和相图，及其导致的各种物理性质随温度的依赖行为，揭示长程库仑关联和熵对稳定软量子相的机制，阐述除自旋和轨道的量子涨落外短程电荷序和温度涨落对这些量子相的影响，建立起系统自洽的软量子相的物理图像。该项目有助于人们理解关联电子体系铜基和铁基等化合物中各种反常性质，将为实验工作者探索发现新规律和新现象以及新型功能的电子材料提供有益的参考。

高温超导的铜氧、铁基化合物中是否存在稳定的电子向列相是近十多年来激烈争论的问题；早期研究主要在唯象理论和平均场理论基础上进行的，缺乏较严格的理论基础。..本项目拟采用变分蒙特卡洛、Lanczos等方法在较严格的基础上研究在各种轨道、磁构型、掺杂和库仑相互作用等条件下铜基和铁基体系的电子向列相基态的稳定性和鲁棒性；探讨短程电荷序、自旋和轨道序稳定电子向列相和分离相的微观机制，以及电子向列相与超导态的关联，以期建立系统自洽的多轨道体系电子向列相转变的物理图象。.　　.项目的研究取得了一系列的成果，重要成果有：.1.发现以有效的三轨道Hubbard模型描述的铜氧和铁砷化合物中顺磁的电子向列相和相分离相是稳定基态，预言了轨道序与超导电性可以共存； .2.首次提出短程库仑关联是导致强关联体系电子向列相基态的至关重要因素，预言了电子向列相/分离相下铁基和铜基化合物均具有短程电荷序，提出了多轨道特征是稳定强关联体系电子向列相的必要条件；.3.证明了铁基超导体中不同轨道关联导致双穹顶超导相，提出了轨道态与超导配对对称性相匹配是实现高Tc非传统超导电性的规则；　.4.首次提出轨道物理在层状二硫族化合物1T-TaS2和1T-TaSe2中的重要作用，并预言了轨道密度波/轨道序效应；.5.发现高压驱动二维层状黑磷发生半导体-Dirac半金属转变和强磁场驱动高压下黑磷发生电子的密度波相转变。..这些重要研究成果和发现为人们理解强关联电子体系的电子向列相及其大量的反常物性奠定了坚实的微观理论基础，同时对发现新型高温超导体和基于向列相和黑磷物性的新型电子器件设计具有指导意义。