鉀鉻砷體系分子軌道超導(dǎo)電性.pdf

1、關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)往往呈現(xiàn)豐富的低溫物理現(xiàn)象及諸多奇特量子態(tài)，是凝聚態(tài)物理中的重要研究領(lǐng)域。但如何理解電子關(guān)聯(lián)和空間維度在復(fù)雜晶體材料中的具體作用一直是艱難的理論挑戰(zhàn)。本論文針對(duì)實(shí)驗(yàn)上最新發(fā)現(xiàn)的一類準(zhǔn)一維無機(jī)晶體超導(dǎo)材料，即堿基鉻砷化合物A2Cr3As3(A=K，Rb，Cs)，深入探討復(fù)雜分子軌道體系中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和維度效應(yīng)，以及它們對(duì)非常規(guī)超導(dǎo)電性等奇特量子態(tài)的具體作用。
　　A2Cr3As3材料都具有共同的[Cr3As3]2∞雙層

2、納米管結(jié)構(gòu)，其電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)主要來自Cr原子的3d電子。這一結(jié)構(gòu)中的每個(gè)元胞[Cr6As6]包含6個(gè)Cr原子，而每個(gè)Cr原子有5個(gè)3d電子軌道。因此，若考慮電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，即使單個(gè)元胞也至少涉及到30個(gè)分子軌道，從而整個(gè)晶體材料的電子結(jié)構(gòu)則涉及30個(gè)分子軌道能帶。當(dāng)然，對(duì)實(shí)際材料低溫物理性質(zhì)起主要作用的只是那些出現(xiàn)在費(fèi)米面附近的能帶，但確定這些相關(guān)分子軌道能帶特征對(duì)確定電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)至關(guān)重要，而這正是一個(gè)微觀理論必須面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。與此對(duì)應(yīng)，

3、人們熟知的銅氧化合物超導(dǎo)材料中每個(gè)元胞只包含一個(gè)Cu原子，鐵基超導(dǎo)材料中每個(gè)元胞只包含2個(gè)Fe原子（利用對(duì)稱性可以進(jìn)一步簡化為一個(gè)鐵原子）。因此，通常用于研究銅氧化合物和鐵基超導(dǎo)體的微觀模型對(duì)于分子軌道體系而言或許可以視為唯象模型，但難以直接用來澄清A2Cr3As3體系中復(fù)雜的分子軌道特征及其背后的3d電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的微觀細(xì)節(jié)。
　　為了研究A2Cr3As3體系中的3d電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，作者構(gòu)造一個(gè)扭曲哈伯德(Hubbard)格點(diǎn)模型來

4、研究準(zhǔn)一維CrAs管中的各種短程電子相互作用所產(chǎn)生的物理影響，這一模型自然地刻畫了準(zhǔn)一維CrAs管中的所有30個(gè)分子軌道。以鉀鉻砷K2Cr3As3超導(dǎo)體為代表，結(jié)合第一性原理的計(jì)算結(jié)果，建立了刻畫該材料費(fèi)米面附近分子軌道能帶的低能元激發(fā)普適拉亭格(Luttinger)液體理論。主要研究結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1)在準(zhǔn)簡并原子軌道和無相互作用極限下，所有30個(gè)分子軌道能帶可以用群論的方法嚴(yán)格求解，我們確定了每個(gè)分子軌道的量子數(shù)并給出分

5、子軌道能帶的嚴(yán)格表達(dá)式;
　　(2)通過擬合第一性原理能帶計(jì)算結(jié)果，標(biāo)識(shí)了K2Cr3As3中穿越費(fèi)米面的三個(gè)分子軌道能帶的量子數(shù)，進(jìn)而用群論的方法推導(dǎo)出這些分子軌道之間的短程庫侖(Coulomb)作用和洪特(Hund)耦合。結(jié)果表明由于分子軌道的形成，分子能帶低能有效局域相互作用相比于原始的原子軌道相互作用得到明顯抑制;
　　(3)利用重整化群和玻色化的方法，推導(dǎo)出描述這些分子軌道能帶低能激發(fā)性質(zhì)的拉亭格液體哈密頓量，這一哈

6、密頓量涉及的三個(gè)對(duì)角化通道均是原來三個(gè)分子軌道的重組;
　　(4)確定這一拉亭格液體由于庫侖作用和洪特耦合導(dǎo)致的超導(dǎo)、自旋密度波等幾種有序態(tài)不穩(wěn)定性的基態(tài)量子相圖。結(jié)果表明當(dāng)原子軌道洪特耦合比原子軌道庫侖作用更小時(shí)，所有三個(gè)通道的自旋激發(fā)均無能隙，其中有一個(gè)通道中的自旋三重態(tài)超導(dǎo)不穩(wěn)定性占主導(dǎo)。
　　上述研究結(jié)果表明由于電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)CrAs納米管本身就可以導(dǎo)致自旋三重態(tài)超導(dǎo)不穩(wěn)定性。考慮CrAs管之間可能存在的較弱的耦合，拉

7、亭格液體的超導(dǎo)不穩(wěn)定性可以穩(wěn)定下來形成超導(dǎo)長程有序態(tài)。作者的理論比較成功地解釋了實(shí)際K2Cr3As3材料正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的物理性質(zhì)，和多數(shù)實(shí)驗(yàn)基本相符。論文中還討論若干推廣，如銣鉻砷Rb2Cr3As3，準(zhǔn)一維到弱三維過渡等等。作者的理論第一次從原子軌道模型推導(dǎo)出分子軌道能帶及其電子關(guān)聯(lián)作用，這種理論方法有望用來研究更復(fù)雜的分子軌道材料中的庫侖作用、洪特耦合等電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。
　　說明:
　　本學(xué)位論文所述主要結(jié)果均來自于本人參與

8、導(dǎo)師課題組合作的一篇學(xué)術(shù)論文:Hanting Zhong, Xiao-Yong Feng, Hua Chen, and Jianhui Dai,“Formationof Molecular-Orbital Bands in a Twisted Hubbard Tube: Implications for Unconventional Superconductivity in K2Cr3As3”,Phys.Rev.Lett.115,227