铁基超导体的磁性动力学研究

Iron-based superconductors are newly discovered high Tc materials, which have many interesting properties. They are important in both fundamental research and applications. Many facts suggest that magnetism plays key role in iron-based superconductors, including the magnetic interactions, coexistence of itinerant electrons and local moments, orbital ordering, structure phase transition, and superconductivity. We will study the spin dynamics of iron-based superconductors, especially on the interaction of itinerant electrons and local moments, reduction of magnetic moments, anisotropic magnetic interactions, spin resonance peak and superconductivity, K-edge resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) spectrum. We will aim at the important frontiers of iron-based superconductors, find the general laws, compare with the experiments of neutron scattering, RIXS, and ARPES, and explore the mechanism of high Tc. The applicant keeps working on the magnetism of iron-based superconductors and has rich experience on spin dynamics. This project will train the people in high Tc, neutron scattering, and RIXS.

铁基超导体是新发现的高温超导材料，具有很多新奇的性质，在基础研究和工程应用方面都有巨大的价值。各种实验表明磁性动力学在铁基超导体中扮演重要角色，对理解铁基超导体中的磁相互作用、巡游电子-局域磁关联、轨道序、结构相变、超导电的形成都有重要的意义。本项目将研究铁基超导体中的磁性动力学问题，主要是探索铁基超导体中巡游电子与局域磁之间的关系，解释铁基超导体中的磁矩涨落现象和磁各向异性的来源，研究铁基超导体的中子散射磁激发，探索自旋共振峰与超导的关系，同时研究铁基超导体的双磁子激发与共振非弹性X光散射磁激发能谱(RIXS)。本项目瞄准铁基超导体的重要前沿问题，寻找一般规律，同时和中子散射、RIXS、角分辨率光电子谱等实验相结合，为探索高温超导机理做出贡献。申请人在铁基超导体的磁性研究方面有长期的积累，在磁性动力学上有丰富的经验。本项目的开展有利于培养高温超导、中子散射和RIXS等方面的研究人才。

近年来，铁基超导体作为一种新发现的高温超导体，因其诸多新奇性质，在基础研究和工程应用方面都有巨大的价值。在本项目中，我们研究了铁基超导体中S=1的双线性-双平方项的磁学模型，通过使用平均场的变分逼近方法，发现了丰富的磁学相：自旋偶极矩相，四极矩相，混合的偶极矩-四极矩相。和中子散射实验小组合作，研究了铁基超导体中的自旋梯子状材料RbFe2Se3的磁性动力学，发现了条状反铁磁序。在FeSe超导体的高压磁性动力学研究中，分析了局域磁、巡游电子和轨道序的相互关联，发现大自旋系统在压力下表现出反常量子涨落，解释了FeSe超导体在零压下没有磁序，而在高压下呈现磁序的实验现象。 研究了铁基超导体的多磁子激发与共振非弹性 X 光散射(RIXS)，发现了磁子-声子耦合导致的RIXS三峰结构。研究了二维八角正方晶格上的高温超导电性，发现该结构在半填充情况下具有空穴口袋和电子口袋的完美嵌套，母体具有反铁磁长程序，通过掺杂，系统能够进入自旋涨落占主导地位的非常规超导相，具有很高的超导转变温度，为实验寻找室温超导体提供了理论基础。我们还研究了二聚化量子自旋系统的量子相变，发展了“高阶联合标度分析方法”，首次发现交错二聚化模型具有非单调的标度行为，证明它们具有相同的O(3)相变普适类，解决了争议十余年的问题。传统的观念认为，一个磁有序系统的磁激发是自旋波激发，而我们通过研究团簇结构的二维量子自旋系统，发现其高能磁激发和低能自旋波具有完全不同的物理来源。我们还研究了二维几何阻挫系统-三角Kagome晶格上的电子能带结构，发现其存在一个新颖的拓扑量子态，具有自旋不守恒的量子克莱因隧穿效应。这些工作为探索铁基超导体的磁性动力学、发现新的高温超导体、研究磁性系统的基态和激发态等做出了贡献，获得了丰富的科研成果，培养了一批青年人才。本项目在执行期间共发表SCI论文32篇（基金标注），包括Physical Review Letters 1篇，Physical Review B 19篇, Physical Review E 1篇，Scientific Reports 2篇，Journal of Magnetism and Magnetic Materials 3篇，Journal of Physics: Condensed Matter 2篇，Frontiers of Physics 1篇。