物质学院蒋易凡课题组在高温超导与量子自旋液体领域取得重要进展

ON2021-12-22文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

量子自旋液体(quantum spin liquid)是一类不能绝热演化为能带绝缘体的新奇拓扑量子物态。量子自旋液体可以实现包括分数化激发、任意子统计、内秉拓扑序等新奇量子特性,是近年来凝聚态物理学重点关注的研究领域之一。在铜氧高温超导电性被发现不久,诺贝尔物理奖获得者P. W. Anderson在理论上提出量子自旋液体可能具有一个非常重要的特性,即掺杂这一物态能够自然地诱导高温超导电性,但这一理论尚未被实验或数值模拟完全证实。近日,manbetx网页登录版物质学院助理教授蒋易凡与清华大学高等研究院教授姚宏、北京理工大学物理系教授杨帆合作提出了一类新型的变分波函数,并应用变分蒙特卡洛方法,发现掺杂笼目(Kagome)晶格上的量子自旋液体可以产生具有准粒子费米面的非常规超导电性,给出了这一新奇超导态实验上可测量的物理性质。

对于未掺杂的量子自旋液体的投影波函数,局域SU(2)规范结构导致了由规范变换相联系的不同平均场波函数在投影后会指向同一个物理态。这种“多对一”的规范对称性在有限掺杂下将会被破缺,系统将转变为一个新的量子物态。因此,寻找并理解系统在小掺杂极限下会选择哪一种基态对于理解掺杂量子自旋液体和探索掺杂诱导的新物态都有着重要的意义。利用在未掺杂时量子自旋液体的局域规范结构,蒋易凡与合作者提出了一个新型的掺杂自旋液体的投影波函数,并用变分蒙特卡洛方法,对笼目晶格上的掺杂自旋液体的变分基态波函数的物理性质进行了系统地计算和分析。通过大规模的变分优化,他们发现最终得到的最低能量态破缺了晶格平移和时空反演对称性,同时电荷的U(1)对称性也会被破缺,从而引发了超导电性的出现。与常规的超导态不同的是,在这一新发现的超导态中,体系的Bogoliubov准粒子具有费米面,使得这一超导体在保证零电阻和迈斯纳效应的同时还展现出与费米液体相似的一些特性。该项研究工作还讨论了Bogoliubov准粒子费米面将会如何体现在实验观测中。此外,该工作中提出的基于局域规范变换变分波函数可以推广到更一般的掺杂自旋液体体系中,提供了一个在强关联电子体系中产生新一类非常规无能隙超导电性的新机制,具有重要的理论价值。



(a) 笼目晶格自旋液体掺杂后的相图; (b-c) Bogoliubov准粒子费米面。


近期,该研究成果以“ Possible Superconductivity with a Bogoliubov Fermi Surface in a Lightly Doped Kagome U(1) Spin Liquid”为题,在线发表于知名学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。蒋易凡教授为论文第一作者,姚宏教授和杨帆教授为论文的共同通讯作者。manbetx网页登录版为该工作的第一完成单位。该研究工作得到了manbetx网页登录版启动经费、国家自然科学基金、科技部重点研发项目、中科院先导项目等支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.187003