狄拉克量子体系的电子拉曼散射理论研究

石墨烯和拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域研究的热点，石墨烯能带在狄拉克点附近具有线性色散关系，电子态要用狄拉克方程描述；Z2类拓扑绝缘体的表面态也要用狄拉克方程描述，因而均可称为狄拉克量子体系。研究特殊电子结构带来的新奇物理性质是目前关注的焦点。电子拉曼谱是研究材料电子结构的有力工具，因而本项目拟从事如下理论研究：（1）结合石墨烯电子拉曼谱的前期工作，通过电子拉曼手段研究超导态石墨烯可能的配对对称性，得到不同配对对称性下的电子拉曼谱；（2）研究不同厚度、掺杂浓度下拓扑绝缘体的电子拉曼谱，并与石墨烯的结果作比较，得出异同及原因；（3）研究拓扑绝缘体中存在非磁性杂质和磁性杂质时的电子拉曼谱。这些研究能够揭示这两种材料相近的电子结构在电子拉曼谱上的不同表现，为确定超导态石墨烯的配对对称性提供重要的理论依据，得到各种因素对拓扑绝缘体电子结构的影响，对狄拉克量子体系理论和实验的发展都具有重要意义。

本项目以狄拉克量子体系石墨烯和拓扑绝缘体为主要研究对象，并适当拓展到了铁基超导体和其他新型超导体。它们都是近年来凝聚态物理领域的研究热点。我们以电子拉曼谱为主要手段，研究了它们的电子结构、超导配对对称性和物理性质。本项目取得的重要研究结果如下：（1）研究了超导石墨烯在d+id’波和扩展s波配对对称性下的电子拉曼谱谱，得到不同掺杂浓度下两种配对对称性对应的电子拉曼谱的不同变化规律。对解决超导态石墨烯配对对称性的争论提供了重要的理论依据。（2）对于拓扑绝缘体，我们提出了有效的三维晶格模型来描述三维拓扑绝缘体，获得了其电子结构特征，即随着层数的减小出现打开能隙的现象，另外，随着掺杂浓度改变，费米面出现六角warping效应，很好地解释了实验结果。我们也研究了态密度和电子拉曼谱的变化规律，结果为扫描隧道谱实验和电子拉曼谱实验探测其电子结构提供了理论依据。（3）对于铁基超导体，计算了Ba(Fe1-xCox)2As2超导体的电子拉曼谱，通过与实验对比，否认了d波对称性；研究了常规s波超导体和反相s波铁基超导体组成隧道结的约瑟夫森效应，发现0-pi相变现象，可用来确定铁基超导体的反相配对对称性；还研究了外加压力对FeSe超导体性质的影响，通过与实验比较，认为局域磁矩对FeSe的超导机理和加压下Tc增强具有重要作用。（4）研究了各向异性三角晶格超导体的电子拉曼散射谱，得到了随着各向异性的改变，其超导配对对称性和电子拉曼谱的变化。（5）紧跟科技前沿，理论研究了最近发现的新型超导体Li2IrSi3的物理性质。发现电子结构展现出三维特性，考虑自旋轨道耦合会使费米面产生明显变化。特别是发现了有趣的类声子晶体特性，这使得Li2IrSi3可以控制声子的传播。计算表明Li2IrSi3是弱电声耦合超导体。总之，本项目经过三年执行取得了预期的丰富研究成果，并超越了预期目标。已在Physical Review B、European Physical Journal B、Journal of Low Temperature Physics等国际著名期刊发表高水平SCI论文10篇。另有部分研究结果处在成文或审稿过程中。