自旋轨道耦合的关联电子系统中的非常规超导与拓扑超导

In compounds with heavy elements or in noncentrosymmetric systems, a significant spin-orbital coupling reorganizes the electron band structure, possibly leading to a nontrivial topology. This also changes the effect of correlations because of the absence of spin SU(2) symmetry, leading to a richer variety of superconducting phases, some of which are topologically nontrivial and may act as the platform of topological quantum computing. In this project, by the singular-mode functional renormalization group we developed independently and related theoretical methods, we investigate the interplay between spin-orbital coupling and electron correlation, investigate the mechanism and symmetry of unconventional superconductivity, explore the key factors for topological superconductivity, and unravel the physical properties of the resulting superconducting phases, such as the microscopic electronic structure, thermodynamic, transport and topological properties, shedding light for experiments.

在一些含重元素的化合物或中心反演非对称系统中，自旋轨道耦合效应显著。这一方面改变电子能带结构并可能使其具有特殊的拓扑结构，另一方面使得关联效应因自旋SU(2)对称的破缺而改变，可以导致更为丰富的超导相，其中包括拓扑超导。后者有望作为拓扑量子计算的平台。本项目我们用自主发展的基于奇异模式分解的泛函重整化群等理论方法研究这类系统中自旋轨道耦合与关联效应的相互影响，研究其非常规超导配对机制及其对称性，探索实现拓扑超导的关键因素，揭示相关超导态的物理性质，包括电子态的微观结构、热力学性质、输运性质和拓扑性质等，为相关的实验研究提供理论参考。

自旋轨道耦合在单电子层次改变能带结构和拓扑，在电子关联层次影响电子集体模式之间的竞争和超导电子配对的形式，从而能导致更为丰富的电子态，特别是非常规甚至是拓扑超导态。本项目在此背景下开展了系列基础理论研究，其成果体现在31篇学术论文之中，其中包括Physical Review Letters论文3篇，Nature Communications 1篇，其它高质量SCI论文27篇。主要在一下几个方面开展了工作：[1] 研究了作为本征拓扑超导体候选的Sr2RuO4超导体因多轨道及自旋轨道耦合在超导机理方面和超导性质方面的影响，发现单轴或双轴正应变能增强超导温度，但随后进入自旋密度波态，自旋轨道耦合导致能隙函数出现准节点，能定性和半定量地解释多项实验结果；研究了铁基超导体因多轨道效应在超导机理和超导性质方面的影响，[2] 单层铁硒/钛酸锶超导体因为有电子型费米口袋，基于空穴-电子口袋之间的自旋激发驱动超导的机制受到挑战。我们发现体系中电子口袋之间的自旋激发仍然是驱动超导的主要因素，为这类特殊的超导体的超导机理的建立提供了重要基础；[3] 研究了其它新型多轨道材料，如魔角双层石墨烯、FeS和LaOCrAs等系统的超导机理，确定其超导配对对称性和估算了其超导转变温度范围，为实验研究提供了参考基础；[4] 掺杂的拓扑绝缘体，如Bi2Se3和Bi2Te3，可以变为超导体，甚至是自旋三态配对的拓扑超导体。由于内禀的多轨道和自旋轨道耦合特性，其超导配对非常复杂。超导态的拓扑依赖于d-矢量的方向。我们理论提出检测自旋三态配对的d-矢量方向的实验方法，并指出超导配对的形式敏感依赖于材料参数，从而解释了有关d-矢量方向实验结果的多重性；[5] 发展了多轨道多自由度耦合的量子杂质问题的数值重整化群方法，是对关联电子系统方法论的发展，可用在集团动力学平均场理论中。