铜氧化物高温超导体中电荷序的理论研究

The anomalous physical properties and unconventional superconducting mechanism in the high-Tc cuprates and iron-based superconductors are the hot research topics in the condensed matter physics community. Recently, X-ray scattering and scan tunneling microscopy showed there exist Cu and O orbital-dependent charge orderings in the pseudogap regime of La, Y, Bi, and Hg based high-Tc cuprates, which are intimately related to superconductivity. In this project, on the basis of three-band and five-band Hubbard models, we plan to carry out the following three research works by using constrained-path and variational Monte Carlo methods: (1) Dependence of the wave vector and orbital symmetry of charge ordering on the superconducting system and hole doping density; (2) Characters of charge ordering in the electron-doped region and its asymmetry with the hole doped case; (3) Effect of charge ordering on the magnetic ordering and its relation to d-wave superconductivity. Clarifying these problems not only promotes understanding the competing orders in the high-Tc cuprates, but also is helpful for understanding other multi-orbital correlated electron systems including iron-based superconductors.

铜氧化物和铁基高温超导体的反常物理特性和非常规超导机理是当今凝聚态物理领域的前沿研究课题。最近，X射线散射和扫描隧道谱等实验结果表明在镧系、钇系、铋系、以及汞系等铜氧化物高温超导体的赝能隙区存在与铜氧轨道相关的电荷序，而且它们与超导之间存在紧密的关联。在本项目中，针对实验和理论研究急需澄清的关于电荷序的疑难问题，我们计划基于包含铜氧轨道的三带和五带哈伯德模型，采用约束路径量子蒙特卡罗和变分蒙特卡罗方法开展三个方面的研究工作：（1）空穴掺杂区电荷序的波矢量和轨道对称性与超导体系和空穴浓度的依赖关系；（2）电子掺杂区电荷序的特征及其与空穴掺杂区的非对称性根源；（3）电荷序对磁序的影响及其与d-wave超导之间的内在关系。我们的非微扰研究工作不仅可以促进理解铜氧化物高温超导体中的竞争序，而且有助于理解包括铁基高温超导体在内的其它多轨道关联电子体系。

铜氧化物和铁基高温超导体的反常物理特性和非常规超导机理是当今凝聚态物理领域的前沿研究课题，其中铜氧化物高温超导体在赝能隙区呈现的向列电荷序是当前的一个研究重点。最近的拉曼散射实验发现铜氧化物高温超导体中d波超导、向列电荷序、以及赝能隙存在相近的能量尺度和相似的空穴浓度依赖关系，这表明三者来源于共同的电子关联效应。在本项目中，我们采用数值计算方法系统地研究了与电荷序相关的多个问题，具体的研究工作包括：（1）我们采用约束路径量子蒙特卡罗方法系统地研究了标准三带、四带、以及五带哈伯德模型的自旋、电荷和空穴配对关联特性。计算结果表明在严格考虑电子关联的情况下，这三个多带模型均难以描述d波超导态和实验观察到的向列电荷序；（2）我们采用约束路径量子蒙特卡罗方法研究了扩展三带哈伯德模型的自旋、电荷和空穴配对关联特性。在标准三带哈伯德模型的基础上，我们首次引入了x和y方向上氧-氧之间的吸引相互作用。计算结果发现该模型可以合理地描述d波超导态、向列相和向列电荷序；（3）在标准三带哈伯德模型的基础上，我们引入了近邻原胞间的向列相互作用，通过该相互作用可以调控不同波矢处的向列涨落。计算结果表明向列涨落与d波超导之间存在竞争关系；（4）我们采用约束路径量子蒙特卡罗方法并基于两轨道哈伯德模型系统地研究了铁基高温超导体中向列涨落与非常规超导之间的内在关联。计算结果表明两者之间存在竞争关系；（5）通过量子蒙特卡罗计算，我们发现扭转双层石墨烯在掺杂情况下具有d+id超导对称性，而且电场可以在半填充AA堆叠双层石墨烯中诱导出d+id超导态；（6）通过钾掺杂芳香烃分子晶体，我们发现了高达123K的对三联苯高温超导体，以及多个低温超导和磁性材料体系。我们的研究工作对于理解铜氧化物和铁基高温超导体的复杂物理特性具有重要的学术价值，而且为寻找新型超导和磁性材料开辟了新的途径。