介绍

过去十年中，凝聚态物理在理论、计算和实验三个方面都有突破性的进展。然而，相比于整个领域的发展，从总体上来看，第一性原理计算的视野范围还相当局限，有不少重要的、特别是新提出的问题未得到足够的关注。本课题立足于通过第一性原理计算，针对量子材料实验中的若干疑难观测数据进行模拟和分析，讨论其中存在争议且理论上具有重要意义的关键科学问题，为以量子自旋液体的核磁共振谱、铁基超导材料的角分辨光电子谱和拓扑超导体系的扫描隧道谱为代表的相关实验提供可信的第一性原理支持。

第一性原理计算的最大优势在于能（至少在平均场的层次上）量化一个复杂的材料体系中的各种微观作用，且原则上不含可调参数，因此结果在很大程度上不会受到主观判断的干扰，可以提供独立的判别依据。这一方法在确定传统固体材料的电子结构方面发挥过重要的作用。然而，一旦涉及强关联这块“硬骨头”，对于材料的模拟就很难通过第一性原理计算直截了当的完成。在多数情况下，计算结果的合理性需要仔细地加以评估，如何从中提取有用的信息，更需要结合已有的实验数据，并对材料的特点有敏锐的洞察。

本课题研究内容直接面向的实验疑难问题大体上分为三类：1.如何准确排除核磁共振谱中非本征自旋响应的干扰；2.如何在角分辨光电子谱（中辨认复杂序参量的存在及其相互影响；3.如何在扫描隧道谱中确认界面或表面超导的存在及其拓扑性质。这三类问题在讨论量子自旋液体的基态、铁基超导中的序参量、以及拓扑超导时具有十分重要的意义。基于已有的实验数据，学界对这些问题已做了大量的讨论，但仍有不少疑义。若实验手段上没有重大的突破，短期内恐怕很难获得确定无疑的结论。我们希望通过设计一些有针对性的第一性原理计算来提供新的线索，或许可以另辟蹊径，对于取得最后的共识有所裨益。

项目类型：清华大学理科发展双E计划，2019.1-2023.12

项目成员

刘峥

新闻

介绍

从Anderson提出高温超导的共振价键理论以来，磁性阻挫体系一直是凝聚态物理中的一个重要课题。阻挫的核心效应是压制长程序，从而使超越传统Landau对称破缺范式的新奇物态有可能得以演生出来。近十几年来，一系列存在磁性阻挫的新材料在实验上被合成，为相关理论的发展提供了新的素材。然而，一个重要的问题是，由于其中与基态相关的一些关键能量尺度通常都很小，包括空位、替换、畴界、载流子掺杂在内的各类缺陷效应都会扮演很重要的角色。例如，对于研究最充分的量子自旋液体候选材料Herbertsmithite，最大的争议就来自于其中的Cu/Zn 反位缺陷。由于Cu 和Zn的离子半径非常接近，这样的本征缺陷很难被消除。它影响到材料低温实验数据的解读，使得材料的自旋激发是否存在能隙、低能准粒子是否带1/2 的自旋等关键信息无法完全确定下来。

本课题立足于以第一性原理计算为手段，模拟若干有代表性的磁性阻挫材料中的微观缺陷，分析其对于材料电子和磁性质的影响，进而为有效模型的建立和进一步的理论分析提供依据，为实验上如何调控缺陷提供指导。

我们拟采取的研究方案可以分为三个层次加以说明。首先，第一性原理计算虽然很大程度上局限在平均场理论的层次上，但对于晶格结构、原子成键、缺陷形成等宏观经典性质的预测仍然可供实验参考。其次，第一性原理计算 给出的单电子本征态可以作为描述材料的0 级近似。在此基础上，我们可以解析地补充平均场近似下缺失的相互作用项，进而建议可以描述材料低能性质的简化有效模型，并对所涉参数给出合理的估值。最后，一些针对电子强关联特性的数值方法已经逐渐成熟起来，并且可以和密度泛函理论有机的加以结合。

磁性阻挫与凝聚态物理前沿的多个核心问题，比如拓扑序、高温超导，都有深刻的关联。以表征和调控磁性阻挫材料作为突破口，很有可能为这些关键基础问题的解决提供新的思路。

项目类型：国家自然科学基金面上项目，2018.1-2021.12

项目成员

刘峥

新闻