Ce基重费米子超导体中的配对对称性及其超导物性研究

In recent years, with the development of the lower temperature techniques, the breakthrough has been made in revealling the unconventional superconductivity of heavy fermin superconductors, especially for identifying their superconducting pairing symmetry. In this project, we take Ce-based heavy fermions as examples, considering the charge, spin, and multiband (multiorbital) degrees of freedom as well as their coupling interactions, applying the Green's function T-matrix approach and self-consistent BdG equations to calculate the local density of states around local impurity and quasiparticle interference induced by impurities. According to the investigation of the effect of impurities on unconventional superconductivity, conbining with Scanning Tunneling Microscopy(STM) and the specific-heat measurements by rotating the field, we could identify the superconducting gap function and its pairing symmetry, and help to deeply understand the underlying unconventional superconductivity in Ce-based heavy fermion superconductors. Our main research topics include that (1) dx2-y2-wave superconductivity and spin resonance in Ce1-xYbxCoIn5 supeconductors; (2) Spin-orbit coupling and superconducting pairing symmetry in CeIrIn5 supeconductor; (3) Impurity scattering and pairing symmetry in multiband supeconductor CeCu2Si2; (4) Impurity effect as a probe of pairing symmetry among other element-based heavy fermion supeconductors.

近年来，低温测量技术的快速发展使得重费米子超导电性尤其是电子配对对称性研究取得重大突破。本项目以Ce基重费米子材料为研究对象, 考虑电荷、自旋、多能带（轨道）等自由度及其相互耦合作用，应用格林函数T矩阵近似和自洽求解BdG方程方法，计算局域电子态密度和准粒子相干谱，研究杂质散射对重费米子超导电性及其相关物性的影响，并结合扫描隧道谱（STM）和旋转磁场比热测量实验，正确判断超导能隙及其配对对称性，进一步理解其中的非常规超导机理。具体内容包括：（1）Ce1-xYbxCoIn5超导体中的dx2-y2波超导电性和磁共振峰；（2）CeIrIn5超导体中的自旋轨道耦合作用和超导电子配对对称性；（3）多能带超导体CeCu2Si2中的电子配对对称性和杂质散射；（4）杂质效应探测其它重费米子超导体中的配对对称性。

重费米子超导体是最早发现的非常规超导体，四十年来其超导机理及其电子配对对称性仍未达成共识。考虑到大部分重费米子超导电性出现在磁性量子临界点附近，自旋涨落配对机制极具竞争力。近年来，随着高质量样品的合成和极低温测量手段的应用，重费米子超导体表现出复杂的杂化多能带电子结构和电子/空穴费米面拓扑性质，严重挑战早期实验结果和长期以来对重费米子超导配对对称性的认识。因此，我们提出解决这一问题的关键是:一方面需要计算得到重费米子材料真实的复杂电子结构；另一方面是当前超导配对对称性争议主要来自比热等实验的间接测量，需要提出新的理论和测量方案。 . 本项目以三个典型的Ce基重费米子超导体为例，基于第一性原理计算结合强关联效应，计算重现材料如CeCu2Si2的真实电子能带结构及其多个费米面拓扑性质，由此构建了有效的多能带杂化模型作为研究出发点。基于此，我们系统研究了实空间中杂质诱导的局域电子密度态及其空间调制结构，和动量空间准粒子相干谱，这些显著特征有力地揭示了CeCu2Si2、CeCoIn5和CeO0.55F0.55BiS2等超导体中潜在的超导配对对称性，同时为扫描电子隧道谱（STM/QPI/FT-STM）测量提供强有力的理论判据和实验指导。我们提出的理论计算和实验手段可以推广应用至其它重费米子系统。. 在项目开展过程中，我们还与实验组合作开展了核磁共振测量，首次揭示a-RuCl3在高场下经历了量子相变，存在无能隙自旋激发的量子自旋液体态。核磁共振测量是揭示非常规超导电性及其磁性质的重要手段之一，这也为我们理解重费米子材料的非常规超导电性打下实验基础。. 在该项目资助下，我们共完成8篇SCI论文，多次参加国内外学术会议和学术交流，培养博士、硕士研究生7人。