铁基超导体奇异轨道序、结构相变与超导电性的理论研究

As the latest member of the family of high temperature superconductors, iron-based superconductors (FeSCs) provide us a new perspective to understand the mechanism of high temperature superconductivity. FeSCs share certain similarities with cuprates: two dimensional layered structure, antiferromagnetic parent compound, and the emergence of superconductivity with electron or hole doping. Meanwhile, due to the multi-orbital nature of FeSCs, the orbital degrees of freedom that are considered equally important as the spin degrees of freedom, play an essential role in the mechanism of superconductivity. In this project, starting with the scenario of itinerant electron picture, we will elaborate a novel density-wave state that is induced by the coupling between orbital and spin degrees of freedom, and its experimental consequences. Then we will discuss its relation to other theories that are based on nematic order. We will study the electronic properties of the orbital-fluctuation-induced superconductivity, which could be informative for determining the mechanism of superconductivity in FeSCs. We will study the coexistence of spin-density-wave state and superconductivity in certain systems. Furthermore, inspired by the studies of orbital physics in FeSCs, we will apply the multiorbital weak coupling theory to some compounds that are isostructural to cuprates, to explain the experimentally observed phenomena such as pseudogap and Fermi surface nesting induced orbital ordering.

作为最新发现的一类高温超导体，铁基超导体为人们理解高温超导现象提供了新的研究对象与视角。铁基超导体与铜氧化物高温超导体有很多相似之处：二维层状结构、磁性母体、对母体进行掺杂出现超导相。同时，由于铁基超导体的多轨道特性，轨道自由度与自旋自由度处于同等位置，在铁基超导体的超导电性中起重要作用。我们将在巡游电子模型的框架下，理解并阐述铁基超导体中由于轨道自由度与自旋自由度的耦合引致奇异密度波态的机制，以及相应的物理后果，讨论其与现有液晶相理论的异同。给出轨道涨落机制下超导电性的一系列物理性质，为实验上区分铁基超导体微观机制提供理论依据。通过多轨道模型解释一些体系中自旋密度波态与超导的共存现象。最后，我们将铁基超导体中发展的轨道序理论应用到其它与铜氧化物有相同结构的化合物中，解释相关物理现象。

关联电子体系中的轨道自由度在磁性和超导电性中的作用是近年凝聚态理论研究的焦点课题之一。本项目主要研究内容为具有（赝）轨道自由度的非常规超导体的配对对称性，以及多轨道Hubbard模型在其它具有轨道自由度的强关联体系中的应用。我们对铁基超导体Ba_{1-x}K_xFe_2As_2的能隙结构，以及能隙结构随掺杂浓度的演化进行了弱耦合理论分析。我们提出了与传统的费米面nesting机制不一样的散射机制，即鞍点附近的Fermi patch之间的电子散射所媒介的超导机制，解释了2014年东京大学角分辨光电子谱测量发现的KFA体系八重节点能隙结构。我们的工作说明，在统一的自旋涨落机制下，能隙结构有可能产生复杂的掺杂演化。同时，我们的理论预言，在电子掺杂下，超导能隙将发生从s波到d波的转变，这个转变和费米面的Lifshitz transition有紧密联系。运用类似技术，我们的工作从自旋涨落图像出发，自洽地，无倾向地给出了二维蜂窝格子系统最可能失稳的超导通道。我们详细研究了5％掺杂与15％掺杂的超导能隙函数，以及AB子格间化学势差与长程库仑作用对超导配对对称性的影响。在量子磁性方面，因为与铜氧化物高温超导体的紧密关系，我们研究了四方格子上J1-J2 Heisenberg模型的谱性质。我们的工作基于1/2自旋算符与硬核玻色子之间的映射关系，运用cluster perturbation theory研究了四方格子上反铁磁J1-J2 Heisenberg模型的整个激发谱。我们发现在J2<0.4J1的Neel相，除了主要的magnon激发，在(pi,0)附近有明显的continuum，说明存在非幽禁的自旋1/2 spinon激发。在J2>0.6J1的stripe相，我们在(pi/2,pi/2)和(pi/2,pi)附近看到了类似的高能two-spinon continuums。通过变分Monte-Carlo分析，我们发现中间相可以被理解为Z2自旋液体。