铁基超导体中狄拉克费米子物理效应的理论研究

The research on the physics of iron-based superconductivity has been a recurring theme in condensed matter physics. Due to the intimate relation between superconductivity and the normal state, it is generally believed that the study of the normal state properties and their relation to superconductivity is crucial to the understanding of the pairing mechanism. Experimentally, it was found in the SDW and the nematic phases that the electronic structure shows the Dirac-like dispersions. So far, the influences of such dispersions on the normal state properties and superconductivity remain to be settled. In this project, the effects of the Dirac fermion on the charge, spin and orbital excitations will be theoretically investigated. The relation between these effects and the origin of nematicity will be established. To find the link between the exotic properties of the nematic phase and the superconducting mechanism, we will mainly study the effects of the Dirac-like dispersion on the pairing symmetry of superconductivity. Meanwhile, the physical effects of such pairing state will be investigated so as to find its fingerprint. The theoretical results may be used to explain the experimental observations and they will shed light on the intrinsic relation between the Dirac fermion, nematicity and the mechanism of superconductivity.

铁基超导电性的研究一直是凝聚态物理持续关注的热点问题。由于超导相与正常态之间的紧密联系，人们普遍认为研究铁基超导体正常态的性质及其与超导之间的关系对理解高温超导机制有着重要的意义。在铁基超导体的自旋密度波相、向列相中，实验发现体系的电子结构拥有狄拉克色散，但该色散对体系正常态、超导态物理性质的影响还有待深入研究。本项目拟从理论上研究狄拉克费米子在体系电荷、自旋、轨道激发等方面所表现出来的物理效应，建立这些效应与向列相的起源之间的关系。为了深入理解向列相的性质与超导机制之间的关系，重点研究狄拉克费米子参与超导凝聚所导致的配对对称性，并讨论这种超导配对态的可观测效应。本项目的理论结果将在解释相关实验观测数据的基础上，理解狄拉克色散、向列序与铁基超导电性微观机制之间的内在关系。

在本项目中，我们研究了单层铜氧化合物的磁激发行为、双层石墨烯的输运性质以及二维Janus group-III单硫化合物的光电性质。.1、我们理论研究了单层铜氧化合物磁激发的掺杂演变行为。未掺杂的系统的磁激发表现出(π,π)处的低能公度行为。稍微空穴掺杂之后，磁激发演变出低能非公度行为。在中度掺杂区，体系的低能磁激发完全消失了。在重度掺杂区，我们预测体系的低能磁激发会出现位于(0,0)和(π,π)附近的两种低能模式，它们的出现与Lifshitz转变直接相关。.2、我们研究了两端为范德瓦尔斯自旋阀中间为窄超导体的异质结中交叉安德列夫反射所导致的库珀对分离。在这种结中，通过独立控制超导体费米能和双层石墨烯的面间电场，我们发现库珀对分离后的两个电子仍能够保持谷纠缠。我们进一步预测了交叉电导随超导体掺杂度、长度和偏压等参量改变会发生大的振荡。.3、我们研究了由中间双层石墨烯连接起来的两个范德瓦尔斯自旋阀结构的磁阻效应。当调节中心区掺杂度使之成为势垒时，磁阻随势垒高度改变表现出很大的振荡行为，可从正值变为负值，因此可以通过调控势垒高度来开关磁阻效应。我们期望这种磁阻可调的设计能被用来制作低能耗的磁电设备。.4、基于第一性原理的计算结果，我们预测了二维Janus group-III单硫化合物在光催化分解水方面有着很好的应用前景。该材料具有合适的带边位置，而且光吸收范围也从近紫外扩展到红外光区域。在一些材料中，理论预测的太阳能产氢效率超过了30%。这些结果表明Janus group-III单硫化合物是光催化分解水的理想候选材料。