多环芳香烃有机超导体的理论研究

Unconventional superconductivity and other competing quantum states are important research directions in the field of macroscopic quantum states. The recent discovery of superconductivity in polycyclic aromatic hydrocarbon superconductors provides a new material system in this research field. The understanding of the relation between the superconducting property and the structure and size of aromatic molecules as well as the doped charge density, is important for controlling the superconductivity of diverse aromatic molecules, which can be easily tailored at the atomic scale. In this project, we plan to study three important problems in polycyclic aromatic hydrocarbon superconductors by employing several kinds of theoretical methods, including quantum Monte Carlo, First-principle calculation, and mean-field theory: (1) The evolution of magnetic behavior and pair binding as a function of the doped charge density in a single aromatic molecule within the framework of Hubbard model; (2) Magnetic order, charge distribution, and orbital order in the molecular crystal within the extended Hubbard model; (3) The renormalization of electron-phonon vertex in the extended Hubbard model and the superconducting property in the electron-phonon interaction model.

非常规超导态和与之紧密联系的其他竞争态是目前宏观量子态研究领域的重要研究方向。最近三年陆续发现的多环芳香烃有机超导体为该方向提供一个新的材料体系。正确理解多环芳香烃有机超导体中超导特性与芳香烃分子结构、分子尺寸、以及掺杂电子浓度之间的关系可以充分利用该类分子种类众多、易于在原子尺度裁剪的优势有效调控它的超导宏观量子态并加以实际应用。在本项目中，我们计划结合多种理论研究方法（量子蒙特卡罗、第一性原理、平均场方法等）从三个方面系统研究多环芳香烃有机超导体的物理特性：（1）基于描述单个芳香烃分子的哈伯德模型研究分子内磁性和电子对束缚能随掺杂电子浓度的变化；（2）基于第一性原理导出的分子晶体对应的低能扩展哈伯德模型，研究整个分子晶体内磁有序、电荷分布、以及轨道序等特征；（3）电子关联对电声子相互作用的重整化以及电声子相互作用模型中超导特性与掺杂电子浓度的依赖关系。

自2010年起陆续发现的多环芳香烃有机超导体激发了凝聚态物理学界极大的研究兴趣。合成高质量的超导样品并理解多环芳香烃的超导特性可以有效调控它们的超导宏观量子态并加以实际应用。在本项目中我们采用第一性原理和量子蒙特卡罗等理论研究方法、以及多种实验方法系统地研究了多环芳香烃超导体的合成和物理特性，具体研究工作包括：（1）基于描述芳香烃分子的单轨道哈伯德模型研究了菲、苉、1,2:8,9二苯并五苯、以及其它含4-6个苯环的芳香烃分子的磁性及其电子对束缚能特性。研究结果表明掺入两个电子的带电芳香烃分子处于极化的自旋三重态。该结果可以统一地解释实验观测到的超导样品在正常态显示的局域磁矩和大的磁化率。电子对束缚能的计算结果表明电子关联在物理相关的参数区间不足以产生菲、苉分子内的电子配对。（2）采用第一性原理计算方法系统研究了钾、钡、镧掺杂菲的晶体结构和电子结构。我们发现Ba2phenanthrene为钡掺杂样品中的主要成分，而非猜想的Ba1.5phenanthrene。镧掺杂时镧原子的5d电子对费米能级附近的态密度具有重要的贡献，而且每个镧原子实际转移一个电子到菲分子上，这与碱金属掺杂体系存在显著的区别。（3）采用第一性原理计算方法系统研究了钾掺杂苉的晶体结构、电子结构以及磁性。研究结果表明存在钾苉化学比为2:1和3:1的两个稳定结构，前者为半导体、后者为金属。该结果有助于理解钾掺杂苉中的两个超导相。（4）采用高真空烧结法开展了钾掺杂芳香烃有机超导体的实验研究工作。成功合成了分子层内含两个钾原子，而分子层间含一个钾原子的钾掺杂菲分子晶体。在钾掺杂对三联苯中成功合成了C60和石墨，并测量到10.00K和6.42K两个未报道的超导临界转变温度。（5）采用数值计算方法探讨了铁基高温超导体中的电子向列相、磁性、以及超导特性。我们的研究结果已经发表在Scientific Reports, Journal of Chemical Physics, Physical Review B 等国际刊物上，并申请中国发明专利一项。