铱氧化合物自旋轨道耦合体系中的关联效应

Exotic physics in spin-orbit coupled systems have attracted extensive attention after the discovery of topological insulators. Strong correlations in condensed matter physics like high temperature superconductivity are hot topics since 1980s. 5d electrons in iridates have received increasing attention in the past few years for the strong spin-orbit entanglement and the intermediate correlation effects. Exotic quantum states like quantum spin liquid, topological Mott insulator, high temperature superconductivity, etc., have been proposed to be potential states in iridates. This project uses the dynamical mean field theory and the quantum Monte Carlo simulation to study the exotic physics in iridates. Four problems will be studied: (1). Experimental measurable quantities, i.e., conductivity, specific heat, entropy, spin susceptibility, etc. of pyrochlore iridates A2Ir2O7. (2). Abnormal transport properties in two-dimensional honeycomb iridates Na2IrO3 and Li2IrO3. (3). Phase diagram and unconversional superconductivity of electron/hole doped Mott insulator Sr2IrO4. (4). The effect of spin-orbit coupling, interlayer coupling, etc. on the potential unconversional superconductivity of Sr2IrO4. We expect that these studies will give a deep understanding of the electron correlation and spin-orbit coupling on iridates, and be helpful for future experimental and theoretical investigations.

自拓扑绝缘体等材料被发现以来，自旋轨道耦合体系中的奇异物性引起了人们很大的兴趣，而以高温超导为代表的强关联效应一直是凝聚态物理学的热门课题。铱氧化合物中存在很强的自旋轨道耦合和较强的关联效应，可能存在量子自旋液体、拓扑Mott绝缘体和高温超导体等物态，因而引起了广泛的关注。本项目拟采用动力学平均场理论与量子Monte Carlo模拟相结合的方法研究如下四个问题：1.铱氧化合物A2Ir2O7的电导率、比热、熵和磁化率等物理性质；2. Na2IrO3和Li2IrO3的反常输运性质；3. 电子/空穴掺杂的Sr2IrO4的相图以及可能存在的非常规超导电性；4. Sr2IrO4中自旋轨道相互作用、铱氧面之间的耦合强度等因素对可能存在的非常规超导配对的影响。以期对自旋轨道耦合体系中的关联效应有较为深入的理解，为将来进一步的理论研究奠定基础，对开展相关的实验研究提供恰当的理论指导。

在该基金的支助下，我们对一系列自旋轨道耦合体系中的关联效应进行了系统的研究，取得了实质性的研究成果。具体研究内容、研究结果和研究意义如下：.(1)两杂质Anderson模型中，由于自旋轨道相互作用带来的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用增强时，我们利用数值重整化群方法计算了比热和杂质熵等热力量。我们发现，当两杂质之间存在铁磁耦合时，随着DM相互作用的增大，近藤温度呈指数增大。计算结果表明，当DM相互作用增大3倍时，近藤温度会增大约5个数量级。我们的研究表明，自旋轨道相互作用增大，在多杂质体系中会显著增大体系的近藤温度。.(2)一维量子线体系中，我们采用两种不同的方法研究了自旋轨道相互作用对近藤温度的影响。使用量子蒙特卡罗方法，我们计算了不同自旋轨道耦合下的自旋磁化率，利用自旋磁化率的低温普适曲线我们估算了近藤温度的变化情况。我们发现，在一维量子线体系中，随着自旋轨道相互作用的增大，近藤温度近似成线性下降。另外，我们还采用隶玻色子平均场方法研究了该问题，得到了定性上一致的结果。我们采用这两种非微扰方法给出的结果，与微扰重整化群给出的结果存在定性的区别。.(3)利用隶玻色子平均场方法，我们还研究了单层铁硒超导体和双层魔角石墨烯超导体系中磁性杂质附近的Yu-Shiba-Rusinov(YSR)共振态。对于单层铁硒超导体，我们发现，存在自旋轨道相互作用时，超导配对态呈d波对称性与普通s波一样，都可以用来解释磁性杂质共振态实验结果。这表明d波配对对称性不能被实验结果排除。.(4)对于魔角双层石墨烯超导体，我们的研究结果表明，如果磁性杂质放置在魔角双层石墨烯元胞的正中心，在磁性杂质附近观测到了YSR共振态，那么超导配对对称性很可能不是传统的电声相互作用导致的s波配对。另外，在能谱空间中，如果可以观测到一个YSR共振峰，那么超导配对对称性很可能是拓扑非平凡的p波或d+id配对态。