若干非常规超导体的DFT及SMFRG研究

【摘要】超导研究一直是凝聚态物理领域一个充满活力的重大课题。高温超导体和其它非常规超导体的发现不断激发人们极大的研究热情。对于超导体的研究,人们一方面寻求新的超导材料特别是非常规超导体；另一方面,致力于超导机制和配对形式的研究。近年来,一些新的超导材料不断涌现,对超导体特别是非常规超导体的理论研究也方兴未艾。在本文中,我们使用了密度泛函理论（DFT）和奇异模泛函重整化群（SMFRG）方法研究了几种不同的超导体,并结合实验现象对我们的计算结果进行了相应的分析和论述。第一章为绪论部分,我们简单回顾了超导的实验现象和理论机理。然后我们介绍了两种研究方法,即密度泛函理论（DFT）和泛函重整化群（SMFRG）,并分别给出了密度泛函理论（DFT）的理论框架和奇异模泛函重整化群（SMFRG）的计算过程。最近,Ni基硫族化物超导体T1Ni2Se2/S2新被发现,引起了人们重视。实验上测得它们既有重费米子又有d波超导等奇特行为。而之前Ni基磷族化物超导体LaNiOP口BaNi2As2经电声子耦合计算被认为电声子机制的传统超导体。在第二章中,我们利用基于密度泛函理论的计算软件QuantumESPRESSO,研究了T1Ni2Se2/S2的电子性质。发现其电子结构跟KNi2Se2/S2较相近。对T1Ni2Se2,我们还进行了声子谱和电声耦合的计算,发现它的电声耦合常数很大（-0.93）,对应超导转变温度为Tc=5.65K,从这个角度可以说这一材料可能是电声子机制的配对。但也不排除这种体系中是其它配对机制,需要进一步的实验和理论的研究。最近,具有六角形晶格结构的超导体SrPtAs被发现。μSR实验测得它的超导态是时间反演破缺并且能隙没有节点。SrPtAs很可能是非常规超导体,其独特的晶体结构和超导性质引起了人们极大的研究热情。为了研究SrPtAs超导机理和配对对称性,在第三章中,我们首先使用DFT计算结合最大局域化瓦尼尔函数（MLWF）方法构建了合理描述SrPtAs电子结构的紧束缚模型。然后,我们使用SMFRG方法研究了电子关联和自旋轨道耦合对超导配对的影响。我们发现Pt的五个轨道中,（dxz,dyz）轨道对超导配对起着主要贡献。由于临近vanHove奇点,体系中铁磁性涨落被加强并诱导了f波三重态配对。我们还计算了不同掺杂的情况,发现随着费米能级靠近vanHove奇点,体系超导转变温度越来越高,直至最终形成铁磁态。我们还具体写出了不同散射通道的结构因子,发现由于自旋轨道耦合的影响,自旋涨落具有易平面各相异性,超导三重态配对部分沿着σ3轴方向。我们计算了不同方向和情况的磁化率并讨论了实验上预期结果。非常规超导体Sr2RuO4的超导电性一直被人们所广泛研究。目前有大量实验证据证明它是三重态配对并且具有特殊的手征p波对称性,但关于它的一些实验现象的解释还存有争议。之前的理论研究大多仅仅考虑Sr2Ru04单带或两带的贡献。在第四章中,基于Sr2RuO4三带模型,我们运用FRG方法研究了它的超导态。SMFRG的结果显示体系最终发散的超导配对形式为时间反演破缺的手征性p+ip’波,由低能标时的小波矢（1/5.1/5）π自旋涨落诱导。超导能隙在费米面上投影,主要分布在由dxy轨道贡献γ带上,并且能隙在临近布里渊区的（π,0）处有极小值。经过计算分析,我们推断这种极小值可能导致实验上难以确定得到边缘手征性电流。我们同时使用了multi-patchFRG方法,得到了定性上相同的结果。BiS2基超导体作为新近发现的一类超导材料,从发现初就有大量相关的实验和理论的研究。但之前的理论工作都没有考虑Bi的自旋轨道耦合作用。在第五章中,基于含有自旋轨道作用的两带模型,我们用自旋SU（2）破缺的SMFRG方法研究了新近发现的BiS2基超导体。计算结果显示体系超导配对既包括有占主导地位的三重态部分也包括有小的单重态部分。配对函数满足时间反演性。超导能隙在自旋劈裂的费米口袋上改变符号,满足dx2-y2*的对称性。在大范围的电子掺杂下,体系超导性质基本不变。我们详细讨论了三个掺杂例子,对应于费米面的拓扑结构发生显著变化的Lifshitz点上下。在Lifshitz转变点以下,能隙没有节点,电子配对具有弱拓扑性。在Lifshitz转变点以上,能隙存在节点。粒子空穴散射通道显示超导三重态配对由铁磁涨落诱导,而同时存在的次重要的反铁磁自旋涨落决定了dx2-y2*的能隙结构。另外,我们还根据实验上的观测对计算结果进行了讨论。Sr2IrO4被认为是一种奇特MJeff=1/2的Mott绝缘体,受自旋轨道耦合和库伦作用的共同影响。之前已有实验和理论上的假设认为它可通过掺杂实现高温超导,但一直缺乏无偏颇的微观上的理论研究。在第六章中,我们利用自旋SU（2）破缺的SMFRG方法探索了可能存在高温超导相的掺杂Sr2IrO4体系。我们发现,在电子掺杂和空穴掺杂下,体系都易发生超导失稳但超导性质有着明显的不同。在电子掺杂下,体系形成dx2-y2*波的超导相,但出现超导相的掺杂区域很窄。而在空穴掺杂下,体系费米能级穿过两条导带,在大范围掺杂区域形成s±*超导相。这两种超导配对函数都包含有自旋单重态和三重态部分,并且二者大小是可比拟的。我们还发现在两种掺杂情况下,洪特耦合在电子掺杂时压制而在空穴掺杂时增强超导配对。我们推断Mott绝缘体Sr2IrO4经掺杂可能会出现高温超导相。最后,我们根据得到的配对函数讨论了实验上可能观测到的结果。在第七章中,我们做了简单的总结和展望。
【作者】杨阳；
【导师】王强华；
【作者基本信息】南京大学，理论物理，2014，博士
【关键词】超导；密度泛函理论；奇异模泛函重整化群；SrPtAs；Sr2RuO4；BiS2基超导体；三重态；Sr2IrO4；竞争序；

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