异质界面中的量子相变和无序效应的动力学平均场理论研究

Heterointerfaces between metal oxides have been shown to exhibit some interesting properties which are not seen in the bulk materials. A variety of unusual electronic phases, such as two-dimensional electron liquid state, ferromagnetic order and superconducting phase have been found at the interface between two nonmagnetic insulators LaAlO3 and SrTiO3, where superconductivity can even coexist with ferromagnetism. In the theoretical studies of LaAlO/SrTiO interface, we should take into consideration the following aspects: the strong electronic correlations introduced by the reduction of the screening effect at interfaces, the broken translation invariance caused by Rashba spin-orbital coupling, and the effect of disorder on the quantum phase transitions. In this project, the real-space cluster dynamical mean-field theory is going to be set up by extending the cellular dynamical mean-field theory to real space. As a result, the strong electronic correlations, the spatial fluctuation and the broken translation invariance can be treated on an equal footing. To reveal the mechanism of transport properties at the heterointerfaces of metal oxides, we will concentrate on the interplay between some important factors and their effects on the quantum phase transitions, providing theoretical bases for manipulating the quantum phases at heterointerfaces.

金属氧化物异质结构新型材料能呈现出迥异于其块体材料诸多的新奇量子特性，在非磁性绝缘体构成的LaAlO/SrTiO界面上业已发现二维电子液体态、铁磁态和超导态，且铁磁与超导竟会共存，这些奇特的现象急待合理的理论解释。因界面上屏蔽效应减弱而导致了电子关联显著增强，而Rashba自旋-轨道耦合又会引起平移不变性的破缺，另外无序对量子相变的影响也是不应被完全忽视的，因此理论研究的难度很大。本项目计划发展的实空间晶胞动力学平均场理论是一个研究异质界面的最有效的理论方法，这一方法不仅能够有效地处理电子间的相互作用，而且也能够合理地考虑空间的涨落及平移不变性的破缺。我们拟从新奇的量子态和量子相变入手，通过研究各种重要因素之间的相互关系和共同效应来揭示输运现象的微观机制，为实现界面新奇量子相的调控供理论依据。

强关联过渡金属氧化物有着丰富而奇特的物理性质，将过渡金属氧化物组合成异质结，由于自旋、轨道、电荷和晶格自由度之间的共同效应，界面会衍生出更多奇特的性质。基于实空间的统计动力学平均场理论框架，通过构建特出的杂质求解器，我们发展出了高效的实空间多轨道强关联无序体系的数值计算方法，适用于研究杂质的无序效应、多轨道强关联引起的量子涨落和空间涨落的共同影响、以及空间非均匀自旋轨道耦合作用。利用所发展的数值方法，我们研究了在过渡金属氧化物异质界面和薄膜材料中无序效应与多轨道电子关联的竞争、电子关联与电荷密度波的形成关系、对角无序与非对角无序的竞争、超导-绝缘体相变以及洪特金属的特性等重要问题。我们发现超导界面处的杂质无序效应不仅会增强局域超导序参量，而且能够产生局域化的库柏对。在无序与层间效应的共同影响下，薄膜材料有可能出现“赝”的超导能隙增强现象，这是实验研究需要特别重视的一个方面。我们还发展出了多轨道无序体系的实空间格林函数方法，并利用它研究了单层铁基超导材料的电子向列相和铜替位掺杂无序效应，我们不仅发现了无序散射可以增强材料中电子输运的各向异性，而且从洪特耦合的作用入手合理解释了电荷型和空位型铜替位掺杂实验发现。我们的研究发现了两种新的量子相，首先在铜替位铁基超导体中发现了轨道选择绝缘相，即Anderson局域化和Mott绝缘态分别同时出现于不同的轨道中。此外，在多轨道强关联体系的洪特金属相特性的研究工作中，我们发现了一种新型准粒子激发，它是由一个轨道上的双占据态与另一个轨道上的空穴所形成的轨道间双子-空子对束缚态（Interband Doublon-holon bound state）。我们的工作为过渡金属氧化物异质界面和薄膜材料的实验研究提供了理论依据，并且对深入认识和理解Mott与Anderson金属-绝缘体相变之间如何相互竞争这一凝聚态物理学最为基础和重要的理论问题做出了新贡献。