高温超导中的序竞争

High temperature superconductivity is one of the most important research fields in condensed matter physics. Despite the extensive experimental and theoretical investigations in the past two decades, the microscopic mechanism of high temperature superconductivity remains unsolved. One reason for this situation is that high temperature superconductor has a very complicated phase diagram. Depending on the value of doping concentration, its ground state could exhibit antiferromagnetic order, superconducting order, nematic order, or stripe order. 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 three orders, which in turn leads to highly unusual properties.It is very interesting to systematically study competing orders, since it can help understand many anomalous behaviors of high temperature superconductors and reveal the microscopic pairing mechanism. We plan to investigate a number of problems regarding competing orders in high temperature superconductors. Our focus will be on the competition between superconducting and antiferromagnetic orders, and the competition between superconducting and nematic orders, because there have been increasing evidence for the existence of these two competitive phenomena. We shall analyze the relevant experimental facts about competing orders, and construct an effective field theory to properly describe the competition and coexistence between different orders. We then study this effective theory by means of various quantum field-theoretic and many-particle techniques. Based on these studies, we can carefully explore the essential properties of competing orders and understand the remarkable behavior caused by competing orders.

高温超导是凝聚态物理最重要的研究领域之一。经过二十多年的实验和理论研究，其基本物理机制仍然很不清楚。高温超导之所以难以理解，重要原因是它的相图非常复杂，随掺杂浓度的变化，可能的基态包括反铁磁、超导、nematic、条纹等，这些长程序不是独立的，而是互相影响的。事实上，超导序和其它序之间存在较强的竞争关系，在一定条件下可以共存，这导致了诸多奇异的物理现象。研究序竞争有重要的科学意义，能帮助人们理解高温超导的很多反常行为，对最终揭示高温超导的基本物理机制有重要的推动作用。本项目研究高温超导中的序竞争，主要是超导－反铁磁竞争和超导－nematic竞争，因为这两种序竞争的存在已得到越来越多实验证据的支持。我们将对相关的众多实验现象进行分析，建立能较好地描述高温超导中序竞争的有效场论模型，利用量子场论和多体理论的解析、数值计算方法，系统、深入地研究序竞争的物理性质和它导致的各种反常物理效应。

本项目研究高温超导等体系中的序竞争问题。序竞争是铜氧化物高温超导和铁基超导体系的重要特征，是这些超导体中很多反常现象的物理根源，对序竞争进行系统的研究，对探寻铜氧化物超导和铁基超导的微观配对机制有重要的指导意义。在本项目的支持下，我们深入、系统地研究了高温超导和铁基超导等体系中的超导-反铁磁、超导-nematic序竞争问题，利用量子场论和量子多体理论中的微扰论、非微扰Dyson-Schwinger方程、重整化群等方法，详细地分析了与序竞争密切相关的各种新奇物理现象，得到一系列原创的研究成果，并针对若干重要的实验现象，给出合理的理论解释，在国际高水平学术期刊发表多篇论文，很好地完成了项目原定的研究计划。在铜氧化物高温超导领域，我们从多个角度研究了超导态中的节点准粒子与nematic量子临界涨落之间的相互作用，发现该作用能导致新型的非费米液体行为，能在特定情况下导致附加的节点准粒子超导配对，并且对超导-nematic序竞争有重要的影响。在铁基超导领域，我们利用重整化群方法研究了超导、反铁磁、nematic三种不同长程序之间的复杂竞争与共存关系，并利用所得到的的理论结果，统一地解释了铁基超导体的若干项最新实验现象。除完成本项目原定的研究计划，我们也充分地利用本项目的资助，结合凝聚态物理领域的最新研究进展，研究了石墨烯、外尔半金属等新型关联电子系统中的超导电性、激子绝缘体相变、无序效应等重要问题，揭示了库仑相互作用和各种无序对低能物理行为的影响，也同时确定了库仑相互作用和无序散射之间的互相影响，这些成果可帮助研究者更完整地理解这些新型半金属体系的物理性质。