拓扑超导体与量子自旋液体元激发的中子散射研究

Topological superconductors and quantum spin liquid are novel quantum materials that posses exotic properties. They have been the focus of condensed matter research since they had been discovered, because of their great potentials in spintronic devices, data storage, communications, and quantum computing. However, many of their properties are poorly understood so far, and many key questions still remain to be answered...In this proposal, we will study several candidates for topological superconductors and quantum spin liquid. We utilize several crystal growth techniques to grow large-size high-quality single crystals. Using these crystals, we will employ neutron scattering, the most powerful technique for probing elementary excitations. The subjects of the proposed study include phonon spectrum of topological superconductors, with which one can understand the electron-phonon coupling, and the superconducting pairing symmetry; magnetic spectrum of quantum spin liquid, with which one can extract the spin correlations, and examine the accuracy of the models. We will also combine other measurements as well as theoretical calculations to systematically and deeply understand the exotic behaviors of these topological quantum materials...We choose the research project which we are specializing at; we have resources necessary for the experiments; we use an approach proved to be feasible. All of these make it promising that this project will yield breakthroughs. The results will be an important base for designing and making quantum electronic devices utilizing the topological quantum states, as well as for understanding the unconventional superconductivity, especially the high-temperature superconductivity.

拓扑超导体与量子自旋液体等拓扑量子材料由于其奇异的量子特性，在自旋电子器件、数据存储与通讯、量子计算等方面具有广泛而且重大的应用前景，近年来这些材料一直是凝聚态物理的研究热点之一。由于各种原因，这些材料的很多性质目前仍不清楚，存在诸多关键问题有待解决。..本项目拟针对几种可能的拓扑超导体及量子自旋液体，运用各种晶体生长手段进行单晶生长，以中子散射为主要手段，研究拓扑超导体体系的声子谱，确定电声子相互作用，解决配对对称性问题；研究量子自旋液体体系的磁子谱，解决其自旋关联问题，检验理论计算的准确程度。结合其他测量手段以及理论计算，系统、全面、深入、彻底地理解、掌握这些材料的新奇物理特性。..我们从自身特长出发进行选题，采用成熟的技术方案，具备扎实的软硬件基础，确保项目能够取得创造性的突破，为设计基于拓扑电子态的具有优异性能的器件打下材料基础，为更好地理解高温超导机制等非常规超导机理提供支持。

量子自旋液体是指由于存在量子涨落，导致强相互作用的自旋在零温下也不会形成长程磁有序的一种新颖的量子自旋态，近年来成为凝聚态物理的前沿热点问题。目前，还未有一个材料从实验上被完全确认为量子自旋液体并被广泛接受。本项目主要运用中子散射手段，研究了三角晶格、六角晶格以及笼目化合物量子自旋液体候选材料中的自旋激发，确定了相关材料的量子自旋态。同时，研究了一类拓扑超导体Sr0.1Bi2Se3，发现了奇异声子导致拓扑超导。主要成果概述如下：..一、发现了两类量子自旋液体材料，并确定了其自旋态，研究成果推动了量子自旋液体领域的发展。针对相关成果，在PRL发表了4篇论文，均入选ESI高被引论文，在npj Quantum Materials等期刊上受邀撰写综述三篇。..二、利用中子散射对三维反铁磁体Cu3TeO6开展了谱学研究，观测到了三维拓扑磁振子激发，从而首次在真实材料体系中实现了三维拓扑玻色子，工作发表在Nature Communications 9, 2591 (2018)上，被推荐为美国物理学会三月会议邀请报告。..三、在拓扑超导体Sr0.1Bi2Se3中观察到了奇异声子。该声子导致了材料产生二度对称性的向列型超导，发现了首个由电声耦合导致的非常规超导，工作发表在Nature Communications 10, 2802 (2019)上。..四、首次在真实磁性材料体系中发现了Berezinskii-Kosterlitz-Thouless拓扑相，文章发表在Nature Communications 11, 5631(2020)上。..项目执行期内，共发表带基金标准的论文26篇，其中项目主持人为通讯作者的有四篇PRL（均为ESI高被引论文）、三篇Nature Communications。成果在国内外产生广泛的影响，推动了对于量子自旋液体等电子强关联物理的理解。项目主持人获得了国家自然科学优秀青年基金以及江苏省自然科学杰出青年基金，以及江苏省青年科学奖及江苏省物理杰出青年奖等荣誉。培养了五位博士，其中两位学生的博士的博士论文被评为“南京大学优秀博士论文”，一位学生获得宝钢全国优秀学生特等奖，多位学生获得国家奖学金，一位学生获得中国物理学会秋季年会最佳海报奖，一位学生获得中国中子散射会议青年学者优秀论文奖。圆满地完成了本项目所有的预定目标。