空穴掺杂铁磷超导体中正常态的理论研究

Understanding the normal states of the iron-based superconductors and their doping dependences is very important for elucidating the mechanism of superconductivity. Recently, many interesting normal state phenomena in Fe-pnictide have been found experimentally as hole doping increases, such as the reentrant C4 antiferromagnetic phase, the sign reversal of in-plane resistivity anisotropy, and the emergence of charge density wave. The mechanisms behind these phenomena are still debated, and the connections between these phenomena are not clear. In this project, on the basis of a multi-orbital Hubbard model, the normal state in the hole doped Fe-pnictide will be investigated by using the mean-field approach and variational Monte Carlo method, and the following issues will be clarified: (1) The mechanism for the reentrant C4 antiferromagnetic phase, and its competition with other magnetic phases; (2) The connection between the theoretically proposed hole-doping dependent magnetic structures and the experimentally obeserved sign reversal of the in-plane resistivity anisotropy; (3) The mechanism for the emergence of the charge density wave in hole-doped Fe-pnictide. The clarification of these issues will not only promote the understanding of the normal state in Fe-pnictide, but also be helpful for unveiling the origin of the unconventional superconductivity.

正确理解铁基超导体的正常态特性及其随掺杂的变化对揭示其超导电性的产生机理有着十分重要的意义。最近实验发现随着空穴掺杂的增加，铁磷超导体表现出许多令人感兴趣的正常态性质，如四重旋转对称的反铁磁相的重入，平面内电阻各向异性的反转和电荷序的出现等等。这些现象的产生机制目前存在着争议，而它们之间的相互联系也没有得到清晰的认识。本项目将基于多轨道的哈伯德模型，采用平均场近似和变分蒙特卡罗方法来对空穴掺杂后的铁磷超导体的正常态进行深入的研究，并力图澄清以下问题：（1）四重旋转对称的反铁磁相的产生机制，以及其与其他磁有序相的竞争关系；（2）理论研究发现的磁有序结构随空穴掺杂的转变与实验发现的平面内电阻各向异性随掺杂以及温度的反转之间的关系；（3）空穴掺杂下电荷序或者电荷涨落的产生机制。这些问题的澄清不仅可以促进对掺杂的铁磷超导体的正常态的理解，而且对深入理解铁基中非常规超导电性的起源也很有帮助。

本项目研究了铁基超导体中的正常态特性及其背后的物理机制。项目的完成达到了主要的研究目标，取得的主要成果有：.1、我们在考虑了电子关联的多带Hubbard模型下，证明了近邻铁原子间的库伦相互作用V对于铁基的电子向列相的形成有着很好的推动作用。.2、揭示了铁基超导体中磁有序的存在与近邻库伦相互作用V的强度之间的关系。即，当V的值逐渐增大时，铁基的磁基态由条纹反铁磁向其他磁构型过渡，并导致了不同的磁构型之间的能量简并的发生。这一结果解释了为何铁磷超导体的磁基态为条纹反铁磁，而铁硒超体中由于V的值更大，磁阻挫的发生导致了长程磁有序的缺失。.3、近邻库伦相互作用V对于能带的重整化作用解释了为何ARPES和dHvA实验中测到的铁硒中的费米面与DFT计算得到的费米面不符。.4、发现铁基系统的磁基态构型随着空穴载流子浓度的增加而演化。随着空穴的增多，不同的磁有序相在能量发生简并。这一磁阻挫的发生可以解释为何随着空穴掺杂的增加，铁基的磁有序会受到抑制。此外，空穴掺杂导致系统的轨道序和晶格畸变变小。这一结果，与磁阻挫引入的量子涨落一起，导致了单纯C2-AFM态不再稳定，这时系统中存在着的是波矢量相互垂直的两个C2-AFM态组成的叠加态，即实验中发现的C4-AFM态。.5、当空穴掺杂到一定浓度时，随着磁基态构型的演化，系统的各向异性动能发生了反转。这一结果解释了实验观测到的电阻各向异性随空穴浓度增加而发生的反转。.6、近邻库伦相互作用V导致了电荷序的发生。即不同位置的铁离子上的电荷浓度存在不一致性，并且这不一致性与V的存在密切相关。.这些重要研究成果和发现为人们理解铁基超导体中的各种正常态特性提供了坚实的微观理论基础，对人们更深入理解铁基高温超导体微观机理和各种反常性质具有重要意义。