基于三带模型研究竞争序对铁基超导体中涡旋态的影响

Study of iron based superconductors is one of the most important fields in the condensed matter physics currently. With the changing of doping, pressure, etc, iron based superconductors exhibit different phases, including spin density wave (SDW) phase, electronic nematic phase and superconducting phase, etc. The study of the competition and coexistence of SDW order, nematic order and superconducting order is helpful for understanding the pairing mechanism of iron based superconductors. Based on the three-band model, we impose the influence of magnetic field to the dispersion relation of the fermions, and derive the effective action about SDW order, nematic order and superconducting order. Then we will study the influence of SDW order and nematic order on the vortex state through this effective action. We will resolve questions in two aspects. First, whether or not the SDW order, nematic order and superconducting order can coexist in the vortex state with the adjusting of parameters such as chemical potential, etc. If they can coexist, whether they are phase separation or microscopic coexistence. Second, how the quantum fluctuation of the competing orders influences on the vortex state. These studies will give more insight for the competition and coexistence of SDW order, nematic order and superconducting order. We also expect that these studies will be helpful for a better understanding on the experimental results or predict some new interesting experimental results about the vortex state in the iron based superconductors.

对于铁基超导体的研究是目前凝聚态物理最重要的领域之一。随着掺杂浓度、压力等因素的变化，铁基超导体表现出自旋密度波（SDW）态、nematic电子态、超导态等不同的相。研究SDW序、nematic序和超导序的竞争与共存有助于理解铁基超导体的配对机制。我们将基于三带模型，在费米子色散关系中引入磁场影响，推导包含了磁场的关于SDW序、nematic序和超导序的有效作用量，然后根据该有效作用量研究SDW序和nematic序对于涡旋态的影响。我们希望解决两方面的问题：第一，随着化学势等参数的调节，SDW序、nematic序和超导序在涡旋态中能否同时存在，如果同时存在，是处于相分离状态还是微观共存状态；第二，竞争序的量子涨落将会对涡旋态带来何种影响。通过这些研究可以丰富和加深对于SDW序、nematic序和超导序竞争与共存的理解，并更好地解释或者预测铁基超导体中关于涡旋态的实验结果。

不同序参量的竞争与共存是非常规超导体中存在的一个普遍现象。对于该问题的研究有助于我们理解非常规超导体的配对机制以及新奇的物理性质。对于铁基超导体等典型的第二类超导体，当外磁场大于下临界磁场，小于上临界磁场时，体系将形成涡旋态。在涡旋核超导序被磁场压制，而在涡旋核外部超导序则依然存在。在涡旋内部，由于超导序被压制，与超导序竞争的序参量将会出现，当逐渐离开涡旋核，该序参量将逐渐被压制，此时超导序和该序参量在实空间呈现竞争与共存的现象。最近的实验研究显示，对于铁基超导体可能存在满足C2对称性的条纹自旋密度波（SSDW）、也可能存在满足C4对称性的磁有序相，包括电荷自旋密度波相（CSDW）和自旋涡旋晶体相（SVC）。SSDW、CSDW、SVC这三种磁有序相的量子融化将分别形成三种不同的顺磁相：条纹相（nematic）、电荷密度波相（CDW）、和自旋涡旋密度波相（SVDW）。我们研究了超导序和上述六种不同的序参量发生竞争与共存时涡旋态的性质，我们发现涡旋态的形状以及序参量的空间分布确实存在不同的特征。这些结果表明观测超导涡旋态是探测和分辨上述六种序参量的有效方法。. 我们还研究了其它几个重要的相关问题：我们研究了d波超导体以及d波超导和条纹相共存时上临界磁场的性质，解释了某些重费米子超导体的相关实验结果；我们研究了铜氧化物超导体条纹相量子临界点附近，条纹序的量子涨落和无序对于节点准粒子的影响，并对BSCCO最佳掺杂附近的角分辨光电子谱实验结果以及YBCO中反常的线性残余比热给出了更合理的理论解释；我们研究了可以描述欠掺杂的铜氧化物超导体的三维量子电动力学（QED3）模型，发现有限温下U(1)规范场将导致狄拉克费米子激发获得奇异的速度重整化。这些研究也有助于理解非常规超导体的新奇性质和序竞争。. 此外，因此我们还研究了多种拓扑半金属中相互作用和无序导致的新奇物理现象，给出了一些重要的理论预测，有可能未来在相关材料中得到证实。. 在项目的支持下，在Physical Review B等期刊上共发表论文13篇，其中第一作者论文6篇。