凝聚態(tài)物理中的拓撲量子態(tài)與鐵基高溫超導電性的理論研究.pdf

1、近十年來凝聚態(tài)物理的前沿進展表明，該領(lǐng)域的研究興趣更加注重對新型材料的物性及應用方面的研究。比如自2004年發(fā)端的對石墨烯的研究，2006年始對兩維HgTe/CdTe異質(zhì)結(jié)材料的量子自旋霍爾效應的研究，由此發(fā)現(xiàn)了三維拓撲絕緣體，并開始了對新型拓撲量子態(tài)的探索與研究。以上研究的理論基礎(chǔ)是基于單電子物理圖像，然而在實際材料中由于強電子關(guān)聯(lián)效應的存在，近年來引發(fā)了人們對于分數(shù)拓撲Chern絕緣體的研究興趣。與此同時，在2008年日本研究小組發(fā)

2、現(xiàn)新型鐵基高溫超導材料以來，高溫超導電性的研究再度引起廣泛興趣。鐵基超導的研究會深化并豐富人們對于高溫超導體中磁性和超導電性的微觀機制的認識。本論文將分別對于拓撲量子態(tài)與鐵基超導電性這兩個凝聚態(tài)物理的前沿方向開展研究工作。
　　在論文的第一部分，我們將系統(tǒng)地介紹拓撲量子態(tài)方面的研究。第一章中，我們將簡單地介紹拓撲量子態(tài)在凝聚態(tài)物理學中的發(fā)展。
　　在第二章中，我們將介紹石墨烯的基本電學性質(zhì)、量子自旋霍爾效應及其輸運性質(zhì)，并揭

3、示出石墨烯納米帶的邊界態(tài)可以受邊界處的外場調(diào)控以及Rashba型自旋-軌道耦合是通過以減小拓撲絕緣體的體能隙來破壞拓撲絕緣態(tài)的特性。對于雙層石墨烯的量子自旋霍爾相，由于存在著偶數(shù)個Dirac錐形表面態(tài)，理論上可以通過引入層間自旋-軌道耦合，破壞層間的對稱性，從而破壞了雙層石墨烯的拓撲量子相并驅(qū)使體系進入能帶絕緣相。實際上，由于石墨烯中的自旋-軌道耦合不夠強，使得拓撲量子態(tài)在石墨烯中難以實現(xiàn)。由此引發(fā)了人們尋找合適的實際材料以期實現(xiàn)拓撲量

4、子態(tài)。
　　在第三章中，我們首先分析兩維HgTe/CdTe異質(zhì)結(jié)材料和三維Bi2Se3家族材料的拓撲絕緣體，并揭示出在尋常能帶絕緣體Sb2Se3材料中可以通過調(diào)節(jié)壓強使得體系進入拓撲絕緣體，從而引發(fā)拓撲量子相變。而后，我們研究了拓撲Anderson絕緣體及其有限尺寸效應，發(fā)現(xiàn)當拓撲Anderson絕緣體的兩個邊界距離較近時，兩個邊界之間的電子散射增強，從而破壞了拓撲絕緣體表面態(tài)受時間反演對稱性保護下的背散射可能的發(fā)生。因此有限小尺

5、寸體系不足以實現(xiàn)穩(wěn)定的拓撲表面態(tài)。
　　在以單電子物理圖像背景下的拓撲絕緣體如果考慮強電子關(guān)聯(lián)效應，體系可能會出現(xiàn)分數(shù)霍爾態(tài)。近年來，逐漸形成對于分數(shù)拓撲Chern絕緣體的研究熱潮。我們將在第四章中分別討論有關(guān)分數(shù)拓撲Chern絕緣體和分數(shù)自旋霍爾效應的研究以及如何在兩維有機金屬材料中實現(xiàn)分數(shù)拓撲Chern絕緣體。
　　在論文的第二部分里，我們將主要討論鐵基高溫超導體的母體磁性及其超導電性。在第五章中，我們簡單的介紹有關(guān)超導

6、電性研究的歷史發(fā)展。
　　在第六章中，我們將主要討論鐵基高溫超導體的母體的磁結(jié)構(gòu)及其微觀唯象理論，澄清了一直存在爭議的KFe2Se2超導體的母體磁結(jié)構(gòu)問題，同時揭示了KFe2Se2超導材料的相分離機制。隨后，我們通過理論分析論證了鐵基超導材料母體的磁序產(chǎn)生的微觀機理主要是由于鐵砷（硒）平面內(nèi)的As-Fe-As鍵角所決定。
　　在對于鐵基高溫超導體的母體磁性有一定認識之后，我們將在第七章中討論它的超導電性，特別是探討KFe2A