关联电子系统中的新奇量子态及量子相变

在低维材料中，电子之间的强相互关联可以诱导出极其新颖的物理现象。这些崭新的量子基态难以用传统的费米液体理论来解释，其相互间的量子相变也不能用经典的朗道相变理论来描述。对关联体系中新奇物性和相变机制的研究将引起当代凝聚态物理的新变革，并为人类对这些新颖材料的利用奠定基础。在本项目中，我们将利用极低温、超强磁场中的电、磁、热测量和低温超高真空的扫描隧道显微镜，对高温超导体、钠钴氧体系和自旋液体等三类具有代表性的强关联电子体系进行系统的实验研究，并将对实验结果进行深刻的理论探讨。我们希望通过寻找在极端条件下电子反常行为的共性，从微观层次上加深对关联体系中电荷和自旋有序态的形成机制、完全无序量子态的存在机制、各个量子基态相互之间的相变机制以及反常临界行为等重大问题的理解。

在本项目中，我们的研究基本围绕项目计划书展开，由于铁基超导体和拓扑绝缘体在2008年前后的出现而做了适当的调整。项目成员在铁基超导体配对对称性、铁基和铜氧化物高温超导体局域电子结构、高温超导理论以及拓扑绝缘体量子输运性质研究等方面均取得了一定的进展，较好地完成了计划书的科研目标。在本项目资助下共发表或已接受论文36篇，其中包括Nature Communications 2篇，Phys. Rev. Lett. 7篇，Phys. Rev. 系列18篇。共培养毕业博士研究生7名，硕士研究生4名。项目成员多次参加国际国内学术会议，并参与组织了“北京高温超导论坛”，10名博士研究生曾赴国外一流研究机构访问交流。.主要研究进展如下：.1. 在铁基超导体的配对对称性方面，我们主要对各种铁基超导体进行了极低温、强磁场中的电热输运性质测量，对它们的超导能隙结构和超导机理进行了很好的阐明。我们发现KFe2As2的超导能隙具有节点，很可能具有d波对称性，而与之相反，最佳掺杂和过掺杂的NaFe1-xCoxAs其超导能隙没有节点并且各向异性较小。.2. 在铁基和铜氧化物高温超导体局域电子结构方面，我们利用扫描隧道显微镜（STM）在LaOFeAs体系中发现了一个具有二次对称性的表面态，在KFe2Se2中发现一个电荷密度波的超结构可能与超导相共存，在NaFe1-xCoxAs体系中发现了从母体的自旋密度波态（SDW）到超导态到一个“类似赝能隙态”的电子结构演变，.在Ca2CuO2Cl2莫特绝缘体母体中首次观测到Mott-Hubbard能隙以及单个电荷掺杂所诱导的电子态。.3. 在铁基超导理论研究中，我们提出了巡游电子与局域自旋相互作用的模型来定性解释SDW序的产生和超导机理。在氧化物高温超导机理方面的理论研究中，建立了超导转变温度与内禀激发态：自旋-旋子之间的定量关系。我们提出的一个非BCS的新型超导波函数，能精确描述反铁磁相并在掺杂时满足严格的掺杂Mott绝缘体的统计符号规则。.4. 在拓扑绝缘体的量子输运研究方面，我们发现在超薄的Bi2Se3拓扑绝缘体中，电子-电子相互作用诱导一个绝缘的基态；在Cr掺杂的Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜中，磁性杂质破坏了时间反演对称性并诱导了从弱反局域化到弱局域化的转变；通过能带调制技术，制备了Bi2Te3和Sb2Te3混合的三元体系，并获得本征拓扑绝体。