d-电子和f-电子材料中的奇异量子物质态研究

近年来，包含f-电子的重费米子材料因具有丰富奇特的量子现象受到普遍关注。而去年发现的以3d-电子为主的铁基层状超导材料呈现出反铁磁-超导近邻效应等一些与重费米子超导相似的物理行为，其中的一些磁性稀土铁基材料不仅具有较高的超导转变温度，还表现出3d-电子和4f-电子之间的关联效应。对比研究这两类结构迥异但性质相似的材料对认识非常规超导和其它奇特量子态具有重要的科学意义。.本项目将以几类典型的重费米子化合物和铁基材料作为重点研究对象，系统性地开展材料的合成和极端条件下（高压、低温，强磁场等）的多种物性测量；理论联系实验，探索这两类材料之间的异同之处以及可能存在的过渡行为；深入研究这些材料中的各种奇异量子态及其形成机理；探讨磁性/中心对称破缺等因素对超导态的影响；揭示非费米液体行为、量子相变、和量子临界性的物理机理；探索对不同量子态进行调控的具体实验手段；寻求提升超导转变温度的具体途径。

本课题有选择性地研究了几类重费米子化合物（f-电子体系）、铁基超导体以及非中心对称超导体（d-电子体系）。在新型超导材料、非常规超导机理、量子相变以及自旋轨道耦合物理等方面取得了一系列重要进展，部分研究成果已在国际上产生重大影响。主要研究成果包括：（1）率先在国内发展了极端条件下的多种物性测量方法。（2）在重费米子化合物CeRhIn5中，首次发现磁场和压力可导致不同类型的磁性量子临界点，并可通过费米面的重构来进行表征；在反铁磁态内，我们在实验上观测到磁致费米体积的突变，目前的结果表明这是由于4f电子的局域-巡游转变而诱导的；我们的结果还表明，在局域量子临界点，费米面的涨落可形成超导。（3）首次给出直接的实验证据，表明重费米子超导体CeIrIn5位于反铁磁量子临界点附近而非先前猜测的价电子相变临界点，解决了一个很具争议的物理问题。 （4）在d-电子体系TlNi2Se2-xSx中，我们首次发现了“重费米子”超导行为，表明d-电子体系中可能存在类似于f-电子体系的物理行为。（5）从理论上发现，巡游电子自旋轨道耦合和近藤耦合竞争可导致从拓扑绝缘体到近藤绝缘体的相变。（6）率先在国际上报道了(Tl,K)FexSe2和(Tl,Rb)FexSe2系统的31K超导电性，首次提出了该系统的母相为具有Fe空位超格子结构的反铁磁绝缘体，成为铁基超导研究中的一个新亮点。（7）系统研究了不同类型铁基超导材料的上临界磁场，发现铁基超导体普遍具有很高的上临界磁场，并在低温表现出较好的各向同性。（8）通过化学压力或者掺杂来调控铁基类材料中的d-电子和f-电子的相互作用，系统地从研究了从铁基高温超导向重费米子过渡的物理机制，发现该类材料中可能存在近藤耦合和RKKY相互作用的微妙竞争，从而导致量子临界行为。（9）研究了一系列非常规超导的序参量对称性，特别是中心对称破缺所产生的反对称自旋轨道耦合强度对超导态的影响。.本课题共发表SCI论文60篇，其中包括5篇PRL，1 篇JACS，28篇PRB，4篇NJP，论文已被引用900余次。在国际、国内会议上作邀请报告30余次。课题成员获国家自然科学奖二等奖1项（排名第5），教育部自然科学奖一等奖1项（排名第2、3）。作为核心成员，组织召开了多届杭州量子物质国际会议、中德双边学术研讨会以及第十一届全国超导学术会议。