铁砷与铁硒基化合物的磁性与金属-绝缘体转变研究

In order to reveal the normal state properties and the mechanism for the formation of Cooper pairs of iron based superconductor materials, it is of important theoretical significance and practical value to study the complex magnetic structure and rich metal or insulating phases of the FeAs and FeSe materials' ground states. This project is to generalize multi-parameter Kotliar-Ruckenstein Slave-Boson mean field method based on tight binding model of the real materials, and to study the metal-insulator transition in normal state of iron based compounds which is a multi-orbital correlated system. The aim is to analyze the effects of spin frustration, orbital fluctuation, next nearest neighbor hopping, Hund's rule coupling and crystal field splitting on the ground state properties and metal-insulator transition of iron-based superconductor, and to uncover whether there is orbital selective Mott transition (OSMT) in FeAs and FeSe based superconductors or not, and then to present the critical parameters for OSMT, which can be used to reveal the microcosmic theory for the unusual magnetic property and complex ground states. It will not only be helpful to the better understanding of the rich magnetic properties and the forming mechanism of Cooper pairing of iron based materials, but also provide a theoretical basis for experiments. It can also be used to comprehend the normal states and the origins of Cooper pairing of other multi-orbital superconducting materials.

理解铁砷与铁硒基超导材料基态复杂的磁构型和丰富的金属或绝缘相对揭示铁基超导体的配对机制和正常态性质具有重要的理论和实际价值。本项目提出从具有关联作用的真实铁基材料的紧束缚模型出发，通过发展多参数的Kotliar-Ruckenstein Slave-Boson平均场方法，开展对多轨道关联的铁基化合物正常相中的金属-绝缘体转变的研究，分析自旋阻挫和轨道涨落在金属-绝缘体转变中的主要作用，重点讨论不同粒子填充数时次近邻跳跃、Hund耦合以及晶场等因素对铁基体系基态性质以及金属-绝缘体转变的影响，探讨铁砷与铁硒基超导材料中是否存在轨道选择的Mott转变及发生的条件，并由轨道分辨性质揭示其中反常磁性和复杂基态的微观机理。本项目的研究不仅有助于我们理解铁基超导材料中丰富的磁现象和超导的形成机制，为进一步的实验提供理论基础，而且还为理解其它多轨道超导体的正常态性质和超导配对的起源提供理论指导。

本项目的目标是发展用于研究多轨道关联体系的隶玻色子方法，研究多轨道体系及铁基超导材料正常相中的金属-绝缘体相变。经过三年的研究，我们发展了用于多轨道体系的Kotliar-Ruckenstein隶玻色子平均场程序和旋转不变的隶玻色子平均场方法。在多轨道体系金属-绝缘体转变方面主要给出如下结果：(1)研究了自旋调制和晶场劈裂对多轨道体系金属-绝缘体转变的影响。给出了自旋调制在中间关联区域导致的反铁磁的轨道选择Slater相并研究了三轨道模型给出的铁磁的轨道选择莫特相，其形成机制与双交换图像一致。(2)我们使用旋转不变隶玻色子方法研究了横向和纵向洪特耦合竞争对金属-绝缘体转变的影响。给出在两轨道半填充体系中各向同性的洪特耦合可以导致较大的自旋涨落有利于轨道选择莫特相的形成。并且在库仑关联和横向洪特耦合的相图中轨道选择莫特相处于高自旋态和低自旋态之间。在强关联极限下各向同性的洪特耦合是高低自旋态之间的相变临界点。(3)研究了粒子数填充和关联对LaFeAsO、K1-xFe2-ySe2、FeSe磁基态以及金属-绝缘体转变的影响。给出掺杂可以导致体系出现轨道选择的莫特相。(4)讨论了BaTi2As2O 体系中格点选择的反铁磁基态性质，给出该材料基态应为反铁磁的自旋密度波态。(5)使用BdG方法讨论了间隙杂质对S波配对的铁基超导材料超导电性的影响，给出非磁杂质在超导能隙内给出双杂质峰而磁性杂质在超导能隙内给出单杂质峰。