文档介绍：项目名称:
功能关联电子材料及其低能激发与拓扑量子性质的调控研究
首席科学家:
鲍威中国人民大学
起止年限:
依托部门:
教育部
一、关键科学问题及研究内容
拟解决的关键科学问题
本项目将深入研究多铁性、巨热电效应、低维阻挫量子磁性、拓扑绝缘体和分数量子霍尔效应等几类相关的功能关联电子体系。这些体系的共同特点是电子关联与集体行为的复杂性与多样性,并导致了物理机理上相关的多种新奇量子效应。为此,我们将综合多种低能激发谱和理论分析与计算等研究手段,探索这些体系中电荷、自旋、轨道、晶格等自由度耦合所导致的新奇量子效应,研究其中自旋-晶格、电子-声子和电子-电子相互作用的低能激发及其拓扑量子行为,并围绕这些体系中相关量子态的基本特征和低能激发的基本特性,从体材料、表面与界面、以及拓扑量子体系等层面解决以下的关键科学问题:
多铁性材料中的自旋和晶格耦合机制多铁性材料是指同时具有铁磁和铁电特性,并通过磁电耦合产生优异性能的一类功能材料。多铁性的产生来自于材料中晶格、自旋、轨道以及电荷的强相互关联,其中自旋-晶格之间的耦合机制十分重要并有待建立。为此,我们需要理解铁电和铁磁(反铁磁)的起因以及磁电耦合的本质,将利用中子散射、拉曼散射和核磁共振来确定多铁性材料所展现出的不同相的磁结构,寻找理论预言存在的新的晶格/磁激发-电磁元激发(electromagnon),确定几类多铁性系统中的磁有序结构以及磁相互作用参数,揭示组成磁结构的自旋之间的相互作用的本质,理解自旋和晶格之间的耦合机制,探索在高温下实现铁电相和铁磁相共存的途径。
巨热电效应关联半导体材料中的电子关联效应人们发现一些巨热电材料如FeSi、FeSb2等是一类存在电子关联的半导体材料,从而亦被称为关联半导体,呈现出巨热电效应、庞磁电阻和反常霍尔效应等丰富的物理现象。由于该材料的基态与强磁性状态几乎简并,它们很容易通过掺杂和加压等手段转化为强磁性半导体或强磁性金属,所以也经常被作为自旋电子学材料的研究对象。人们初步认为此类材料中电子关联的起源与自旋阻挫、自旋-轨道、甚至某种拓扑序之间的耦合密切相关。本项目将通过中子散射、核磁共振、拉曼散射、热输运测量和理论研究等手段来研究此类材料中巨热电效应的微观机理与关联电子效应的机制。
低维阻挫量子磁性材料中的量子自旋液体与磁性相变在过去三十多年里,量子自旋液体与低维磁性相变一直是人们理解复杂关联电子物理一个重要基础,对于正确地理解本项目中多铁性、巨热电效应和拓扑绝缘体中表面态相关物理十分重要。但是,从材料角度,人们一直通过设计具有定位自旋阻挫的磁性材料,研究量子自旋液体态基本特征的种类、这种状态的稳定性、量子相变,以及低能激发特性。理解形成与量子自旋液体相关的物理过程的机理和确立量子自旋液体的本征特性及其与新奇量子效应的内在联系,是超越传统多体物理建立量子关联多体物理的关键。
关联电子材料中局域效应与集体激发的关系关联电子材料中局域的结构畸变、缺陷等会对其性能产生至关重要的影响。关联电子材料晶格结构的微小变化往往引起其电子的电荷、自旋以及轨道自由度的剧烈响应,引发极其丰富的性质。我们将从掺杂原子对局域晶格、电子结构影响的微观图像入手,深入理解局域效应相互作用导致集体激发行为的详细机理。特别是结合扫描隧道显微镜/扫描隧道谱以及高分辨透射电镜对不同掺杂材料的研究,聚焦于局域晶格畸变或电荷掺杂等对材料局域电子态、晶格振动以及电子-声子耦合的影响。
拓扑绝缘体表面态的电子关联效应及其调控多体相互作用一直是凝聚态物理的重要主题。拓扑绝缘体的表面态是一类极其特殊的二维电子系统。因为Berry 位相带来的电子背散射被抑制效应而被理论预言不会出现普通二维电子系统的弱局域化现象。其金属性不会被无序破坏,因此有时被称为超级金属(supermetal)。这一论断在单电子图像中没有问题,但如果考虑电子和电子之间的相互作用,情况会有所不同。已有的输运实验已经确认Berry 相位带来的反弱局域现象,但目前还没有超级金属性的证据。与此相反,最近的一些实验却报道一些Bi2Se3薄膜的电阻随温度下降按ln T规律上升,显示出局域化的倾向。但是,这些实验所用样品的费米能级均处于导带之中,因此有许多非狄拉克电子参与输运,有关结果并不能代表拓扑绝缘体表面态的本征性质。我们计划在体导电被抑制的可调控拓扑绝缘体样品上开展相关研究,以确认绝缘体表面态上的狄拉克电子在极低温下的电子退相干机制是否只由电子-电子相互作用导致,拓扑绝缘体表面态的电子是否由于相互作用而存在量子临界现象,以及该效应是否因为磁杂质的作用而消失或改变等重要物理问题。
分数量子霍尔系统中组合费米子的基本散射机制一般情况下,半填充的最低朗道能级(填充数ν=1/2, 3/