122类铁基超导体中的序竞争和临界现象

Iron-based superconductors are one of the most significant research fields in current condensed matter physics which have been extensively investigated by both experimental and theoretical efforts since its discovery seven years ago. Despite fruitful achievements, many of issues, including the microscopic mechanism of iron-based superconductors, remain enigmata and unsolved. The reasons are of very complexity, such as the multiband/multigap nature, the multi-fermi surfaces, and especially the structure of phase diagram is very intricate, which can exhibit SDW order, nematic order, superconducting order and etc. depending on the variation of doping concentration and temperature.These orders are definitely not independent, but have significant influence on each other. In particular, the superconducting order strongly competes, and under certain conditions coexists with the other orders in the ground state, which in turn leads to highly unusual properties. It is instructive to systematically study these competing orders and effects on physical observables, since it on one hand can help understand the complicated phase diagram of iron-based superconductors, and on the other hand play a positive role in revealing the pairing mechanism of iron-based superconductors and even cuprate superconductors. We plan to study the competition among SDW, nematic and superconductivity in the 122 iron-based superconductors. We firstly construct the effective field theory, and then detailedly analyze and explore the essential properties of these competing orders and critical phenomena by employing quantum field theoretic, many-particle techniques, and renormalization group method.

铁基超导体是目前凝聚态领域最广泛关注和研究的领域之一，在过去的七年里，人们对它进行了非常广泛、深入的实验和理论研究。尽管人们已经在铁基超导体的实验和理解探索中取得了很多成果，但包括超导电性的微观物理机制等很多问题依然不是完全清楚的。原因是多方面的，比如铁基超导体通常是多带体系，存在多个费米面，更为重要的是铁基超导体的相图非常复杂, 随着掺杂浓度和温度的变化，铁基超导体可能存在SDW、nematic以及超导相等。这些不同的相之间不是独立的，在零温的基态，基于量子涨落的效应，它们的相互作用和相互转化会导致很多奇异的物理行为。研究这些序之间的竞争以及对可观测物理量的影响有重要的科学意义。本项目计划研究122铁基超导体中超导、SDW以及nematic序的相互竞争现象。首先，建立这些序竞争的有效场论模型，然后利用量子多体理论以及重整化群等解析和数值计算的方法系统、深入地研究相关物理现象和临界行为。

2008年铁基超导体的发现，吸引了人们的广泛关注和深入研究，但超导电性的微观物理机制等很多基本问题至今依然未完全清楚。其原因是多方面的，比如铁基超导体通常是多带体系，存在多个费米面；更为重要的是铁基超导体的相图非常复杂, 随着掺杂浓度和温度的变化，铁基超导体可能存在自旋密度波（SDW）、向列（nematic）、超导（SC）等多种相。这些相之间不是独立的，而是可以相互竞争和转化的。在零温的基态，基于量子相变点的量子涨落效应，它们之间的相互竞争可能会诱发有限温区域的很多奇异物理行为。因此，序竞争对相图的形成有重要的作用。为初步探索nematic、SDW和SC序参量竞争的物理效应，在本项目的资助下，我们以122类铁基超导体为研究对象，主要完成了以下研究内容。首先，在充分考虑122类体系的低能特征的情况下我们构建了包含nematic和SC等序参量的有效场论模型，并运用该模型分别研究了同位素(BaFe2(As1−xPx)2)和电子型(Ba(Fe1−xCox)2As2)掺杂体系的nematic量子相变点序竞争效应。我们发现在该相变点附近的超流密度和超导临界温度被强烈压制，同时nematic临界线斜率为正，即出现reenterance现象，这些结果均与相关实验定性符合。其次，我们还将以上低能有效模型推广至空穴型掺杂的Ba1−xKxFe2As2体系，并初步探索了SDW量子相变点的序竞争对相图有限温区域的贡献。与同位素和电子型掺杂体系相比，我们发现空穴型体系的SDW相变点的序竞争同样不利于超流密度和SC临界温度，但nematic临界线在超导临界温度以下的斜率转为负，即无reenterance现象，此外在相图的低温区域只有电荷自旋密度波这一种SDW是稳定的，以上相关结果与最近的实验也符合得很好。最后，我们把以上方法拓展到了狄拉克半金属和二次型能带交叉体系，并详细研究了其低能区域的相变问题。 总的来说，这些结果对理解122类铁基超导体相图中的若干奇异行为有重要帮助和促进作用。我们相信，本项目发展的相关方法作一定的推广也可以研究其他类型的铁基超导体，进而对铁基超导体微观理论的研究产生积极的科学意义。