在铁基超导体中观察到绝缘体-超导体转变

铜氧化合物高温超导体的母体普遍认为是反铁磁的Mott绝缘体,超导电性的产生是通过掺杂引入载流子,压制反铁磁态导致的绝缘体-超导体转变而实现的。与铜氧化合物高温超导体不同,铁基超导体的母体虽然也大多具有反铁磁结构,但却表现为导电性较差的金属特性。因此,关于铁基超导体中电子关联的强弱以及Mott绝缘体图像是否仍然适用于铁基超导体,一直存在着争议。中国科学     

关联电子体系中的轨道物理

轨道自由度为凝聚态关联电子材料带来丰富多彩的新量子相的同时也导致了复杂性,对理解强关联电子体系的本质带来了挑战。文章系统地介绍了多轨道关联电子体系的各种物理性质。首先简要地介绍了轨道自由度在过渡金属氧化物和稀土化合物中的重要作用和轨道序的物理图象;其次论述了轨道极化、轨道序及其与晶格畸变的联系;然后讨论了轨道序的理论研究及其在实验上的可能探测;接着介绍了多轨道体系中的金属—绝缘体相变和多轨道超导电性的新特征;最后简短讨论了目前轨道物理研究中面临的问题和挑战。     

KCrF3中的轨道有序及其成因

强关联体系中的轨道有序及其成因一直是凝聚态物理研究的热点问题.轨道有序对于巨磁阻和 超导材料的研究有非常重要的地位.利用第一性原理计算研究了KCrF₃的四方相和立方相中的轨道有序 及其成因.在四方相中, GGA和GGA+U两种方法计算结果都表明其基态是A型反铁磁和G型轨道有序. 对于立方结构, GGA方法得出铁磁半金属态是基态,而GGA+U(U_eff = 3.0 eV)得到的基态是A型 反铁磁绝缘体. 光电导测量是少数能从实验上观察到轨道有序的方法之一,因此计算了其光电导,并结合投影态密度讨论 了KCrF₃中的轨道有序.最后找到了其轨道有序的成因:电子强关联效应,而非电-声子相互作用是其 轨道 有序的物理根源.     

轨道选择性相变——多轨道物理中一类独特的现象

金属—绝缘体相变是凝聚态物理中被大量研究并有广泛应用前景的一种物理现象。通常具有巡游性的电子由于受到各种因素(如无序或电子相互作用等)的影响发生局域化,从而形成了金属—绝缘体相变。然而在实际材料中,由于电子还具有轨道属性而使该相变的发生变得更加复杂。文章简要回顾了一类考虑电子轨道自由度后发生的较为特殊的金属—绝缘体相变——轨道选择性相变,即由于电子相互作用的影响而在同一原子壳层中出现局域化的电子和巡游电子共存的现象,并讨论了其形成机理和相关的实验。     

封面故事

铁基超导体与拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点。铁基超导体是非常规超导体,不同于传统的电声耦合机制的BCS超导体,其超导配对机制的解释仍然是凝聚态物理理论的一个难点。在拓扑绝缘体这类材料中,由于能带的反转,体态仍然保持绝缘态,但是在表面或者边界上存在着导电的金属态。超导体与拓扑绝缘体的结合被认为是实现拓扑超导体和Majorana费米子的一个非常有希望     

空穴掺杂铱氧化物Srn+1IrnO3n+1 (n=1,2)的角分辨光电子能谱研究

近年来, 与铜氧化物高温超导体具有类似电子结构的5d 轨道 Ruddlesden-Popper 类型铱氧化物由于体系中库伦排斥和自旋轨道耦合之间的合作效应被人们广泛探究. 其中, 金属绝缘体转变的关键影响因素是该方向的核心研究问题, 该结果对推进掺杂莫特绝缘体体系的研究具有重要作用. 因为铱氧化物与铜氧化物在单能带哈伯德模型的次 近 邻 跃 迁 项 具 有 不 同 符 号, 因 此 空 穴 掺 杂 铱 氧 化 物 类 比 电 子 掺 杂 铜 氧 化 物. 我 们 将 空 穴 掺 杂Ruddlesden-Popper 类型铱氧 化 物 系 统 依 据 几 种 不 同 的 掺 杂 元 素 进 行 分 类, 分 别 介 绍 其 角 分 辨 光 电 子 能 谱(ARPES) 探测到的电子结构, 对其中金属绝缘体转变类型进行了总结, 并对该领域中的未来研究方向做出了展望.     

新型4d/5d基超导体的结构和物性

在强关联电子体系中,轨道、自旋和晶格等自由度之间的相互作用一直是研究的热点.这些自由度之间的竞争和共存产生了复杂新奇的物理现象,如超导现象、量子相变、自旋有序、拓扑相变、金属绝缘转变等,这些丰富的物理现象来源于不同的有序态或量子涨落之间的竞争和耦合.自旋轨道耦合作用是指粒子的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,在4d/5d基化合物中,由于电子的运动速度较快,自旋轨道耦合的效应不可忽视,可能表现出与3d基化合物不同的物性.例如,在含4d/5d过渡族金属元素的超导体中,其电子配对的机制可能不同于常规的s波Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体.本文以几种典型的4d/5d基超导体为例,对其晶体结构和超导物性及其内在联系进行了详细论述,重点探讨了阴离子共价键强弱对晶体结构、相变和超导物性的影响,希望引起相关研究者对该类超导体的重视.     

强关联电子系统超导电性的高压研究

具有强关联电子特性的凝聚态系统中,电子间的强关联性主导系统的宏观量子特性。这类系统具有电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等多重自由度,这些自由度强烈耦合,产生复杂的多体相互作用,导致系统出现丰富奇异的量子现象,如非常规超导电性、庞磁电阻、金属-绝缘体转变、拓扑量子相变等。其中,非常规超导体的研究于近几十年取得了不少进展,例如发现了铜氧化物高温超导电性和铁基超导体,然而导致非常规超导电性的原因,尤其是对高温超导电性的机理认识目前尚不清楚,非常规超导机理一直是凝聚态物理研究领域中最具挑战性的问题之一。为此,简要介绍了近年来我们通过高压实验手段在重费米子超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体这3类主要的非常规超导体研究中取得的进展、发现的新现象以及反映的新物理机理,包括磁性和超导电性的演化关系、价态变化对超导电性的影响、铜氧化物的普适压力相图等,旨在提供非常规超导体在高压研究方面的一些实验新进展,以期为更好地理解非常规超导的微观机理提供压力维度下的一些信息。     

离化态原子基态电子结构特征与轨道竞争规律

离化态原子广泛存在于等离子体物质中,其相关性质是天体物理、受控核聚变等前沿科学研究领域的重要基础.基于独立电子近似,本文系统研究了扩展周期表元素(2 Z 119)所有中性和离化态原子的基态电子结构.基于设计的原子轨道竞争图,系统总结了各周期元素轨道竞争的规律,并结合离化态原子的局域自洽势阐明了其轨道竞争(即轨道塌陷)的机制;在此基础上,说明了部分元素性质与轨道竞争的关系.利用本文研究得到的离化态原子基态电子结构,可建立更精密计算相关原子的能级结构、跃迁几率等物理量之基础,从而满足高功率自由电子激光实验分析、原子核质量精密测量等前沿研究的需求.     

多轨道Hubbard模型的隶玻色子数值算法研究

通过综合模式搜索法、广义Lagrange乘子法、以及转轴法等多种数值方法, 建立了一套针对多轨道Hubbard模型隶玻色子解法的数值优化方法. 该数值方法能够在考虑晶场劈裂、轨道间跳跃以及真实能带结构基础上, 利用隶玻色子方法计算实际关联电子材料的性质. 首先利用该方法计算了两轨道体系的Mott金属-绝缘体转变性质, 得到了与目前已有工作一致的结果; 然后利用该方法讨论了Coulomb关联对三轨道体系Na_xCoO₂的影响. 结果表明: 在中间关联情况下由e_g^'轨道形成的六个小Fermi面消失, 原因是由于电子关联导致该轨道上的空穴数随U减少. 这些结果也证实了算法的正确性和有效性. 关键词： 多轨道Hubbard模型 隶玻色子 Mott转变 xCoO₂')" href="#">Na_xCoO₂     

Ab initio evidence for strong correlation associated with Mott proximity in iron-based superconductors

We predict that iron-based superconductors discovered near d(6) configuration (5 Fe 3d orbitals filled by 6 electrons) is located on the foot of an unexpectedly large dome of correlated electron matter centered at the Mott insulator at d(5) (namely, half filling). This is based on the many-variable variational Monte Carlo results for ab initio low-energy models derived by the downfolding. The d(5) Mott proximity extends to subsequent emergence of incoherent metals, orbital differentiations due to the Mott physics, and Hund's rule coupling, followed by antiferromagnetic quantum criticality, in quantitative accordance with available experiments.     

Mott transition in modulated lattices and parent insulator of (K,Tl)(y)Fe(x)Se(2) superconductors

The degree of electron correlations remains a central issue in the iron-based superconductors. The parent iron pnictides are antiferromagnetic, and their bad-metal behavior has been interpreted in terms of proximity to a Mott transition. We study such a transition in multiorbital models on modulated lattices containing an ordered pattern of iron vacancies, using a slave-rotor method. We show that the ordered vacancies lead to a band narrowing, which pushes the system to the Mott insulator side. This effect is proposed to underlie the insulating behavior observed in the parent compounds of the newly discovered (K,Tl)(y)Fe(x)Se(2) superconductors.     

洪德耦合的调控与轨道选择Mott相变

洪德耦合相互作用是导致多轨道体系发生轨道选择Mott相变的重要因素之一. 通过调控洪德耦合相互作用来研究其不同组成部分对轨道选择Mott相变的作用. 利用基于Lanczos 求解器的动力学平均场理论, 对比了双轨道的J模型和Jz模型的金属-绝缘体相变, 并重点讨论洪德耦合中的自旋翻转项和电子对跃迁项以及轨道宽度比值W₂/W₁如何影响轨道选择Mott 相变. 在J模型的相图中, Mott选择相占有较大的区域, 而Jz模型的轨道选择Mott 相只存在于一个很狭窄的区域内, 这说明自旋翻转项及电子对跳跃项是有利于轨道选择Mott相变发生的关键因素. 此外当轨道宽度之比大于W₂/W₁=0.7时, Jz 模型的轨道选择Mott 相会完全消失, 而J模型中只要轨道宽度不同都存在轨道选择Mott相. 因而, 简化后的Jz 模型只是在特定条件下才适合于研究轨道选择Mott相变.     

High-pressure Mössbauer spectroscopy, a unique tool for unraveling the nature of electron correlations in Mott insulators

Combining the methods of Mössbauer spectroscopy, synchrotron XRD, and resistivity and using diamond-anvil cells enables the discovery and studies of new phenomena in magnetism and electronic correlation at high density. It is shown that Hund's rule concerning the high-spin state in TM-compounds does not hold in this regime resulting in spin-crossover and collapse of the magnetic state for even-valence TM ions and for the decline of magnetic exchange in the odd-valence species. This mechanism competes with the breakdown of the d–d electron correlation (Mott transition) in transforming the Mott insulators into normal metals. The experimental issues are described and examples of magnetic studies at very high-pressures are portrayed.     

Competition between crystal field splitting and Hund’s rule coupling in two-orbital magnetic metal-insulator transitions

Competition between crystal field splitting and Hund’s rule coupling in magnetic metal-insulator transitions of half-filled two-orbital Hubbard model is investigated by multi-orbital slave-boson mean field theory. We show that with the increase of Coulomb interaction, the system firstly transits from a paramagnetic (PM) metal to a Néel antiferromagnetic (AFM) Mott insulator, or to a nonmagnetic orbital insulator, depending on the competition of crystal field splitting and the Hund’s rule coupling. The AFM Mott insulating, PM metallic and orbital insulating phases are not, partially and fully orbital polarized, respectively. For a small J _H and a finite crystal field, the orbital insulator is robust. These results demonstrate that large crystal field splitting favors the formation of the orbital insulating phase, while large Hund’s rule coupling tends to destroy it, driving the low-spin to high-spin transition.     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

Spin, charge, and orbital orderings in iron-based superconductors

In this article, we briefly review spin, charge, and orbital orderings in iron-based superconductors, as well as the multi-orbital models. The interplay of spin, charge, and orbital orderings is a key to understand the high temperature superconductivity. As an illustration, we use the two-orbital model to show the spin and charge orderings in iron-based superconductors based on the mean-field approximation in real space. The typical spin and charge orderings are shown by choosing appropriate parameters, which are in good agreement with experiments. We also show the effect of Fe vacancies, which can introduce the nematic phase and interesting magnetic ground states. The orbital ordering is also discussed in iron-based superconductors. It is found that disorder may play a role to produce the superconductivity.     

Influence of electronic correlations on orbital polarizations in the parent and doped iron pnictides

Orbital polarization and electronic correlation are two essential aspects in understanding the normal-state and superconducting properties of multi-orbital FeAs-based superconductors. In this paper, we present a systematic study on the orbital polarization of iron pnictides from weak to strong Coulomb correlations within the Kotliar-Ruckenstein slave boson approach. The magnetic phase diagram of the two-orbital model for LaFeAsO clearly shows that a striped antiferromagnetic metallic phase with orbital polarization exists over a wide doping range, in addition to the Slater-type insulator, Mott insulator and paramagnetic phases. A reversal of the orbital polarization occurs in the intermediate correlation regime in the absence of the crystal field splitting; however, a small crystal field splitting considerably enhances the orbital polarization, and stabilizes the xz-type orbital order. We argue that the ferro-orbital polarization is characteristic of a density wave, and leads to a pseudogap-like behavior in the density of states.