自旋关联对多轨道金属-绝缘体相变的调制

Multi-orbital metal-insulator transition (MIT) has been one of the central and hot topics of strongly correlated electron systems in recent years. Due to the limit of modern computation resource, our understand to the important role of spin correlations on multi-orbital MIT is rather poor. In this project we propose to theoretically study the modulations of spin correlation on the multi-orbital MIT by utilizing the multi-component slave boson approach and the dynamical mean-field theory with continuous-time Monte Carlo solver, focus on the phase diagrams and groundstate properties of two-orbital Hubbard models under various orbital asymmetry, doping concentration, and Coulomb interaction and Hund's rule coupling, elucidate the microscopic mechanism of the modulations of spin and orbital correlations on MIT, address the origin of multi-orbital ferromagnetism and the influences of magnetism on various quantum phases, especially the orbital selective Mott phase, establish a complete novel scenario of the multi-orbital MIT. This project not only highlights the new laws and new phenomena in correlated electron systems, but also help us understand the rich phase diagram, complicated magnetic configurations and abnormal properties of most of transition-metal oxides, and may provide great help for experimentists to discovery novel electronic material with particular fiunctions.

多轨道金属-绝缘体转变在近些年的强关联体系电子性质研究中占据着相当重要的位置。由于现代计算资源的限制，人们对起着重要作用的自旋关联在多轨道体系金属-绝缘体转变的作用了解得相当有限。本项目提出开展自旋关联对多轨道金属-绝缘体转变的调制的理论研究，利用发展的多分量隶玻色子方法和连续时间MonteCarlo的动力学平均场方法，通过研究两轨道Hubbard模型在各种轨道非对称性、掺杂、Coulomb和Hund相互作用等条件下体系的相图和基态性质，揭示自旋和轨道关联调制金属-绝缘体相变的微观机制，阐述多轨道铁磁性起源和磁性对各种量子相、尤其是轨道选择的Mott相的影响，建立完善的多轨道金属-绝缘体转变的物理图象。本项目的研究不仅能让人们认识关联电子体系新规律和新现象，而且有助于人们理解绝大多数新型过渡金属氧化物中丰富的相图、磁结构和各种反常性质，为实验上探索发现新型功能的电子材料提供极大帮助

本项目探索了自旋关联对多轨道关联电子体系中轨道选择的Mott相变和金属-绝缘体相变的调制，揭示了自旋和轨道关联调制金属-绝缘体相变（MIT）的微观机制和多轨道铁磁性起源，以及磁有序对各种量子有序相的影响，项目的完成达到了主要的研究目标。取得的主要成果有：..1、考虑自旋关联和旋转不变的非共线自旋序后，发现在半填充体系中顺磁的轨道选择Mott相完全被反铁磁的Slater绝缘体替代，并预言了偏离半填充时存在轨道选择的反铁磁Slater相。发表论文3篇，并获计算机软件版权登记1项。..2、在两轨道和三轨道关联体系中，在顺轨道下铁磁相在很宽的填充范围内存在，轨道数的增加有利于铁磁相的稳定和铁磁相区的极大增加，并在三轨道磁相图中发现晶场驱动形成铁磁的轨道选择Mott相，亦即双交换铁磁相；发表论文1篇。..3、在铁基超导体中，证明铁基超导体基态可以是顺磁或非磁相，如KFe2Se2中,或者是条纹反铁磁基态，如LaOFeAs和BaFe2As2等体系；在中间关联的半填充体系中主要是Néel反铁磁基态，存在轨道选择的Mott相，并伴随着中间自旋到高自旋态的转变，揭示了能带填充和关联控制的磁性。发表论文6篇。..4、发现In3Cu2VO9体系是电荷转移型绝缘体，Cu上单占据的3z2-r2电子贡献S=1/2自旋，拟合出体系的紧束缚模型参数和自旋相互作用参数；证明了层间磁阻挫驱动的量子自旋无序导致无序磁磁基态的图像；掺杂的三维In3Cu2VO9很可能是一个具有dx2- y2 + idxy的配对对称性超导体。发表论文1篇。..5、证明了铜氧和铁基高温超导体中电子向列相的存在和稳定性，发现铜/铁离子上在位库仑排斥能与电荷转移能之间的竞争、以及最近邻氧或铁离子之间的库仑排斥能对于向列相有序的形成起着关键的作用；揭示了铜基和铁基超导体中电子向列相来自于长程库仑相互作用驱动的电荷涨落的统一物理图像，解释了实验观察到的普适输运行为。发表论文3篇。..6、在狄拉克半金属和拓扑量子材料研究取得显著进展：发现黑磷在压力下会转变为Dirac 半金属相，证实了科大实验小组发现的压可调节黑磷中奇异量子态的转变；证明在二维皱褶的Kane-Mele zigzag 纳米带体系中，交替电势可以调节磁性杂质离子间的自旋耦合符号和强度。发表论文4篇。