新型量子功能体系的物性表征及其材料探索

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1、项目名称：新型量子功能体系的物性表征及其材料探索首席科学家：丁洪中国科学院物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容本项目将着重于新型量子功能材料的物性表征和新型量子功能材料的探索。主要研究方向为关联系统中的高温超导体、庞磁阻材料、石墨烯和拓扑绝缘体等材料中的电荷、轨道、自旋等自由度相互竞争、相互耦合，以及因此产生的多个量子态竞争和共存、自旋量子霍尔效应等现象。探索新型量子功能材料、发现新的量子态；对新型量子材料的物理基本性质进行研究、输运性质进行高精度测量、结合理论研究理解

2、关联体系的物理机制；利用各种实验手段测量石墨烯和拓扑绝缘体的物理性质，研究因维数效应产生的新奇物理现象。按照项目的不同侧重点和研究手段的不同，将项目按照材料探索、物性研究、输运性质的高精度测量和低维体系四个方面展开研究：１、新型超导材料和量子态的探索：本课题的首要目标是探索新的高温超导材料，同时发展晶格结构和电子结构分析技术，以及超高压测量技术，分析自旋、电荷、轨道等有序现象，努力发现新的量子现象。研究内容互相补充，细分为以下几个方向：（1）新材料的探索与合成及单晶生长：探索新超导材料，主要从事铁基超导材料以及类似

3、的层状、多层含有类似Fe-As面的多元化合物的探索，以及包含稀土和过渡元素的其他层状多元化合物中的新材料探索；总结样品合成和成相规律，发展新方法、新工艺，寻找新现象、新效应；另外将生长高质量单晶样品以用于深入的物理研究。（2）晶体结构表征与研究：对发现的新材料进行晶格结构、化学成分的表征，从而促进材料的探索；研究新的结构现象，深入分析新型超导体的微结构－物理性能之间的关联，研究化学成键、电子能带结构，研究高/低温结构相变等，研究晶格中缺陷、畸变对超导的影响。（3）超高压下的量子效应研究：研发一套超高压低温测量系统（

4、100GPa，1.5K），在此基础上研究超高压下铁基材料以及其他新材料中可能出现的新奇量子现象、超高压对超导转变的影响、高压高场下材料的物性和相图，探索高压下可能出现的新量子态和新奇量子现象。（4）中子散射研究：研究铜氧化物和铁基高温超导材料以及其他新材料的晶格精细结构，电子自旋、电荷、轨道有序结构，研究超导材料及其母体中的自旋激发、自旋涨落的形成、演变及其和超导的关系，研究材料中形成的新的量子态和量子现象。２、关联体系量子功能材料的物性研究：利用谱学的方法研究新型量子功能材料的电子结构，主要包括ARPES，STM

5、和自旋极化的STM（SP-STM），以及红外光谱的方法研究关联系统（以高温超导体和庞磁阻材料为主）的电子结构，争取在高温超导和庞磁阻材料的机理研究中有重大突破。具体到各种谱学实验方法和强关联体系中的问题，细分为：(1)以高精度角分辨光电子能谱为手段，深入研究以高温超导体（包括铜氧超导体和铁基超导体）为主的多种新奇超导体材料。本项目将结合我们在高温超导材料和角分辨光电子能谱上的优势，对高温超导体进行深入系统的研究，重点研究超导态对称性、赝能隙、电子与其它集体激发模式耦合等现象。(2)锰氧化物体系，特别是三维钙钛矿结构

6、锰氧化物薄膜的电子结构，我们将在不同晶格参数的衬底上生长具有不同组分和厚度的高品质外延锰氧化物薄膜，用ARPES原位测量体系的电子结构。总结锰氧化物体系电子结构随组分、应力和温度的变化规律，研究电子－电子及电子－波色子相互作用对电子行为的影响，揭示电子结构和宏观物理特性之间的联系。从电子结构的角度出发试图阐明锰氧化物体系庞磁阻、相分离、电荷轨道有序等异常物理性质的内在机理。(3)利用STM特有的原子级空间分辨率，局域态密度能谱，能量分辨谱图，及原子操纵功能。通过高分辨率的空间扫描成像，定位表面相关原子层结构，特别是

7、掺杂原子的位置。研究掺杂原子对表面原子层结构的调制。通过局域态密度能谱，研究库珀电子对的激发态（超导能隙）与赝能隙（pseudogap）的关系。通过分析能量分辨谱图，研究超导序的二维结构及其演变规律。通过改变温度，调整掺杂浓度，及外加磁场，我们可以直观地观察超导序表面二维结构的变化。(4)发展SP-STM技术研究高温超导材料中电子自旋结构。这个新型的SP-STM将能提供原子级空间分辨率和自旋极化分辨的谱图图像。利用这一工具，我们将着重研究在反铁磁与超导共存的高温超导体中的反铁磁自旋结构，超导磁通蜗旋中反铁磁核心的存

8、在早已由SO(5)理论预测，此结果将验证SO(5)理论预测的结果。另外，我们将利用这一工具研究表面吸附的磁性原子对局域态密度能谱的影响及其与超导电子对的相互作用。(5)建设强磁场下的红外反射谱测量系统，研究磁场下高温铜氧化物超导体和铁基超导体的准粒子激发行为。重点研究铜氧超导体和铁基超导体中电子与集体激发-声子激发/自旋激发模式的耦合问题。我们将用光学响应或