重费米子超导的理论研究

Heavy fermion superconductors are the first kind of unconventional superconductors discovered in history, but their mechanism remains not well explained. In recent years, new experiments have yielded qualitatively different conclusions than earlier experiments, which challenges our understanding of the pairing mechanism in heavy fermion superconductors. There are mainly two complications in heavy fermion superconductivity: 1. the complicated electronic structures and localization-itinerancy duality of the f-electrons; 2. the quantum critical and strong coupling nature of pairing glues of either magnetic or valence or other types of fluctuations. Recently, we have combined the non-Fermi liquid behavior caused by the f-electron duality and the quantum critical fluctuations to propose a phenomenological model for heavy fermion superconductivity, which explains quantitatively some properties of heavy fermion superconductivity. In this project, we will extend our previous model and develop a systematic framework of heavy fermion superconductivity based on the strong coupling theory of unconventional superconductivity.

重费米子超导体是最早发现的非常规超导体，但是其物理机理仍然没有得到充分的解释。特别是在最近几年，一些新的实验得到了和早期实验不同的结论，挑战了长期以来对重费米子超导配对对称性的认识。重费米子超导的复杂性主要体现在两个方面：一是电子结构的复杂性，电子同时表现出局域和巡游的二重性；二是电子配对的胶水主要来源于相变点附近的量子临界涨落，不但具有强耦合的特征，还具有磁性、价态等不同的起源。最近，我们结合电子局域－巡游二重性导致的量子临界区非费米液体行为和量子临界涨落，提出了重费米子超导的唯象模型，定量地解释了重费米子超导的行为。在这一项目中，我们将推广之前的唯象模型，并试图基于超导强耦合理论进一步发展重费米子超导的系统理论。

近几年来的最新实验进展揭示出重费米子超导体的很多新奇性质，颠覆了早期基于简单模型的理论预期，迫切要求发展新的能够正确处理实际重费米子体系的理论框架。该理论应具有高度的适应性，能够兼顾不同重费米子材料中丰富多变的竞争序和超导物性。本项目的目标即为探索发展这一理论框架，并结合最新实验发现，研究各种不同材料中的奇异超导态。项目计划整体执行顺利，较好地达到了申请时的研究目标，建立了一个新的超导唯象理论框架，系统解释了CeCu2Si2、YbRh2Si2、转角双层石墨烯、Sr2RuO4、NbSe2等多种重费米子或强关联超导体的配对对称性，提出了镍氧化物超导的基本理论模型和超导配对机制。这些研究工作表明我们的理论框架不仅能够用于重费米子超导体，还能广泛适用于其他强关联超导体，是具有一定潜力的超导基础理论方法进展。截止结题时，共发表项目资助论文35篇，包含英文和中文综述各1篇，PRL 6篇，PRB/PRR 19篇，国内期刊8篇等，其中第一或通讯作者23篇，部分最新结果仍在整理有待后续发表。这些成果中有关CeCu2Si2、UTe2、镍氧化物超导的理论研究都已产生了较大国际影响，单篇最高引用达100余次，并在网上发布了相关科普性介绍。项目执行期间组织重费米子论坛3次，镍氧化物超导学术讨论会1次，在国内外学术会议上做邀请报告8次，暑期学校讲座6次；培养博士毕业生3名，博士后出站2名，申请人于2018年入选中组部“万人计划”青年拔尖人才。