电荷密度波相单层过渡金属二硫族化合物中超导电性的第一性原理研究

The competition and coexistence between charge-density wave (CDW) and superconductivity is a longstanding issue in condense matter physics, but the mechanism still remains investigation. The study of the interplay between the above two orders, on one hand, may reveal the underlying physics therein, on the other hand, may help to understand the formation of high-temperature superconductivity. According to the latest reports, monolayer transition-metal dichalcogenides (monolayer 2H-NbSe2, 2H-TaS2, 2H-TaSe2), though with similar crystal and electronic structures, were found to exhibit different competition relationships between CDW and superconductivity, which calls for further studies. ..The present project mainly focuses on the monolayer transition-metal dichalcogenides in CDW states using first-principles methods. In detail, the project covers the following topics. 1) The influence of the CDW on the superconductivity and the corresponding mechanism. 2) The influence of strain engineering and charge doping on the superconductivity and the corresponding mechanism. 3) The influence of spin-orbit coupling effect on the superconductivity and the corresponding mechanism...In summary, this project investigates the electron-phonon coupling and superconducting properties of the monolayer transition-metal dichalcogenides of CDW phases in detail from the perspective of first principles calculations. On one hand, the research may help to get better understanding of the rich phase diagrams in these multi-correlated systems and provide useful information to the classic issue regarding the competition and coexistence between CDW and superconductivity. On the other hand, the research may reveal the nature of the influence of strain engineering and charge doping on the superconducting properties of the systems, which may help to obtain a deeper understanding about some experimental observations.

电荷密度波与超导竞争共存是凝聚态物理领域一经典话题，但机理尚不明确。研究它们之间的相互作用，不仅可揭示其中的物理，还有助于理解高温超导的形成。据报导，单层过渡金属二硫族化合物（单层2H-NbSe2、2H-TaS2、2H-TaSe2）有相似的晶格和电子结构，却表现出不同的电荷密度波与超导的竞争关系，相关研究尚在起步阶段。.本项目以第一性原理计算为研究手段，以电荷密度波相单层过渡金属二硫族化合物为主要研究对象，拟开展如下探索：1）电荷密度波对超导电性的影响及机制；2）应力、电荷掺杂对超导电性的调控及机制；3）自旋轨道耦合效应对超导电性的影响及机制。.本项目从第一性原理角度，细致地研究上述体系中电声耦合及超导电性。一方面有助于更准确、系统地理解这类多关联体系的相图，为理解电荷密度波与超导竞争共存这一经典话题提供参考。另一方面揭示应力、电荷掺杂对体系超导电性调控的机制，有助于深入理解部分实验现象。

层状过渡金属硫化物体系中蕴含着电荷密度波、超导电性、自旋密度波等，展现出丰富的量子相图，是近年来凝聚态物理领域的研究热点。从理论计算的角度研究这类体系中不同的序，以及它们间的相互作用，一方面有利于深入理解这类体系的量子物性，另一方面能为理解部分实验现象提供理论依据。. 本项目利用基于密度泛函理论以及各向异性的Migdal-Eliashberg框架下的第一性原理计算，研究过渡金属硫化物中的电荷密度波、超导电性以及它们间的相互作用机制，得到了如下核心结果：1）单层二硒化铌体系中电荷密度波的形成与电子在不同费米口袋的“袋间”散射有关，而超导电性的形成则与电子的“袋内”散射有关；2）二硒化铌从块体到单层，随着厚度减小，体系的超导能隙由两个转变成单个的实验现象，与单层体系中电荷密度波的增强有关；3）单层二碲化镍是一个超导转变温度为5.7开尔文的本征二维超导体；4）通过碱金属原子的插层调控体系的层间耦合强度并提供电荷掺杂，可以使得双层二碲化镍、二碲化铂发生金属-超导转变，对应的超导转变温度分别为11.3和8开尔文。特别的，自旋轨道耦合效应使得插层的二碲化铂体系成为潜在的第二类Ising超导体；5）在研究过程中，自主编写了程序，用于实现了费米面、超导能隙布里渊区反折叠，以及原子振动分辨的电声耦合强度的计算。. 本项目的研究成果为理解相似体系中电荷密度波与超导序的相互作用机制提供了理论和研究方法上的参考，为理解部分实验现象提供了理论依据，为实验上实现二碲化镍/二碲化铂等相关体系中的二维超导提供了理论指导。同时，本项目在上述研究过程中所实现的小程序，也将为后续相关的研究打下基础。