三类强自旋轨道耦合超导体的超导电性和新奇物性理论研究

Superconductivity has always been a hot topic in the field of condensed matter physics. In this project, we mainly focus on strong spin-orbit coupling superconductors, including spin triplet pairing superconductor Sr2RuO4, locally non-centrosymmetric superconductor SrPtAs, and the newly-discovered BiS2-based superconductors. For the former two types of superconductors, they are respectively 4d and 5d transition-metal compounds, which show many peculiar physical properties due to containing both large spin-orbit coupling and correlation effects. For example, Sr2RuO4 is thought to be a topological superconductor. While, for BiS2-based superconductors, it was experimentally discovered that superconducting properties can be changed by element substitution and applied pressure. Besides, the pairing function forms of these three types of superconductors are still controversial. Therefore, this project will theoretically study the superconductivity and novel physical properties of the three kinds of superconductors. We will study the effect of spin-orbit coupling, electron correlation, spin fluctuation and other factors on superconducting pairing, study the novel physical properties induced by different pairing function forms, and study the impact of element substitution and pressure on the superconducting properties of BiS2-based superconductors. Through these researches, we can obtain the effect of different factors on superconductivity of the three kinds of superconductors, and provide a theoretical reference for determining their pairing symmetries, which are of great significance for both theoretical and experimental developments of the three kinds of superconductors.

超导电性一直是凝聚态物理领域的研究热点。本项目关注强自旋轨道耦合超导体，包括自旋三态配对超导体Sr2RuO4、局域非中心对称超导体SrPtAs、以及新型BiS2基超导体。前两类超导体分别为4d、5d过渡金属化合物，由于同时具有较大的自旋轨道耦合和关联效应，表现出许多奇特的物理性质。比如，Sr2RuO4有可能是拓扑超导体。对于BiS2基超导体，实验发现可通过元素替代和加压改变超导性质。另外，这三类超导体的配对函数形式都存在争议。因此，本项目从理论角度研究三类超导体的超导电性和新奇物性。研究自旋轨道耦合、电子关联、自旋涨落等因素对超导配对的影响；研究各种可能配对函数形式导致的新奇物理性质；研究元素替代和压力对BiS2基超导体性质的影响。通过这些研究，获得不同因素对三类超导体超导电性的影响，为确定其配对对称性提供理论参考，这对三类超导体理论和实验的发展都具有重要意义。

超导电性一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来，强自旋轨道耦合超导体由于出现新奇的量子相而引起了广泛关注。本项目从理论角度研究了包括强自旋轨道耦合超导体在内的新型量子体系的超导电性和新奇物性。取得的主要成果如下：（1）得到元素替代和压力对BiS2基超导体结构和物性的影响，很好地解释了实验结果，并证实此类超导体是电声耦合配对超导体。（2）发现新型强自旋轨道耦合超导体ScIrP的能带具有三维性，自旋轨道耦合会降低费米能附近能带的简并度，增强Eliashberg谱函数和电声耦合，进而提高超导转变温度。（3）对于强自旋轨道耦合超导体SrPt2Ge2，发现能带在特定方向具有狄拉克锥，自旋轨道耦合使某方向的狄拉克锥打开能隙。声子谱中出现虚频，解释了实验中观察到的亚稳相现象。（4）对于新发现的铁基超导体FeS，利用最大局域瓦尼尔函数方法获得了有效的5轨道紧束缚模型。采用奇异模泛函重整化群方法研究了其超导起源，发现洪特定则耦合起着重要作用，并发现其配对对称性为dx2−y2配对。（5）理论预言了一种新型三维狄拉克材料C4Li。它是首个理论预言的在费米能附近同时具有非点式对称操作保护的节线和第二类狄拉克点的化合物。（6）研究了拓扑绝缘体与量子自旋液体的近邻效应，发现了由自旋子和反自旋子组合而成的新型Majorana费米子，会导致非平庸的自旋输运性质，为研究拓扑量子计算开辟了新途径。（7）理论预言了四种新型氢化石墨烯体系：掺杂的C6H1和C6H5中可同时出现铁磁和类似于Sr2RuO4的p波配对超导，提供了研究铁磁和三重配对超导体共存、以及拓扑量子计算的研究平台；C3H1体系具有倾斜的各向异性狄拉克锥能带结构，为实现石墨烯各向异性输运提供了可能。后来，预言的C3H1体系被中科院物理所高鸿钧院士组成功制备；C3H2体系是宽带隙半导体，在近紫外区对某一特定偏振方向的光具有强烈的吸收，因而在制作偏振片及其他高效率的光学器件方面有潜在应用价值。在本项目的资助下，已发表学术论文23篇，其中包括Phys. Rev. B 7篇（含Rapid Communications 1 篇）、Phys. Rev. Materials 1篇、J. Mater. Chem. C 1篇、J. Appl. Phys. 1篇等。经过四年执行，本项目取得了预期的丰富研究成果，并超越了预期目标。