新型密度波材料中的轨道物理与超导电性

In multi-orbital correlated electronic material, there are a wide variety of density-wave and superconducting states due to the coupling of multiple degrees of freedom, including spin, orbital, charge and lattice. These novel density waves are usually in the proximity of the superconductivity, and display unique orbital physics.The conventional mechanism for Fermi-surface nesting can not describe these states accurately. Therefore, the microscopic mechanism of its formation and superconductivity are still controversial issues. The explanation and description of the mechanisms are directly related to the understanding of such novel density wave materials. This research project focuses on the orbital physics of the density-wave state and superconductivity in these novel density wave materials. Through the comparison with experiment, we will reveal the microscopic mechanism of the orbital physics for the density-wave and superconducting states, and study the relationship between density-wave phase and superconductivity. The electronic structure, thermodynamic, optical, magnetic and transport properties before and after the phase transition of the density wave will also be discussed. This project will not only help we understand many anomalous and novel behaviors of the density wave systems and predict new properties, but also provide important theoretical guidance and basis for related experiments and application of electronic functional devices in the novel density wave materials.

多轨道关联电子材料中由于存在自旋、轨道、电荷和晶格等多种自由度的相互耦合，使得这些材料表现出丰富的密度波态和超导态。这类新型密度波经常与超导电性邻近，并且表现出奇异的轨道物理现象。由于这类密度波一般不能简单的在传统的费米面嵌套机制下去解释，因此其形成的微观机制及与其邻近的超导电性的理论机制还是个有争议的问题，对该问题的认识和描述直接关系到对此类密度波材料的理解。本项目重点研究新型密度波材料中密度波态与超导电性的轨道物理。通过与实验对比研究，揭示密度波态和超导电性中的轨道物理机制，以及密度波和超导电性之间的联系，讨论密度波失稳前后体系电子结构、热力学、光学、磁学和输运性质等的变化行为。这项研究将不仅有助于我们理解密度波材料的许多奇异行为，预言新性质，而且为更进一步的实验提供理论指导，为新型密度波材料在电子功能器件等方面的应用提供重要的理论基础。

由于密度波材料经常表现出丰富的轨道物理与超导电性，研究它们的电子结构可以帮助人们深入理解关联电子材料的基本性质。本项目主要针对新型二维材料与铁基超导材料等密度波体系，研究了密度波态及其邻近的超导态的形成机制，特别是轨道物理机制。在铁基超导材料中：预测了新型体系CaFeAsH的自旋密度波态，发现其与费米面嵌套和van-Hove奇异性密切相关；在新型Li1-xFexOHFeSe体系，确定了局域与巡游电子共存的磁基态，以及在x=0.2时体系中与轨道重构相关的电子关联诱导的Lifshitz转变；针对三类典型的FeAs体系提出了轨道驱动的双反铁磁相与双超导相一般物理机制，解释了实验发现的一系列具有双穹顶特征相图的体系；在FeSe体系提出了轨道选择的超导配对态，区分了两类不同轨道特征的超导相，解释了FeSe体系高Tc超导相的形成机理。同时，在锰基超导材料LaMnAsO中预测了压力驱动的反铁磁绝缘态到金属铁磁态的相变。并与实验结合，针对二维材料，解释了石墨烯纳米片中边缘诱导的自旋密度波态，以及在新型黑磷体系发现了压力下形成的Dirac半金属态，其在磁场下可诱导出自旋密度波态；在尖晶石结构体系CuIr2S4和MgTi2O4中发现了轨道序驱动的反压力效应，合理地解释了实验反常现象。此外，在块体和单层1T-TaS2中提出了轨道密度波驱动的电荷密度波态，合理地解释了体系奇异的star-David晶格结构和磁基态行为；同时揭示了其插层体系层状金属Fe1/4TaS2中常规和狄拉克载流子共存的铁磁性与大的磁各向异性的起源问题。这些研究不仅为实验提供了理论指导，而且为寻找新型密度波材料和超导材料提供了理论基础，将有助于新型关联电子材料和超导材料的应用。