【摘要】：重費米子超導(dǎo)體是一類典型的非常規(guī)超導(dǎo)體。近年來隨著實驗探測水平的提高和高單晶質(zhì)量樣品的生長,重費米子超導(dǎo)體在實驗上展現(xiàn)出一系列新奇的量子現(xiàn)象,如奇異的超導(dǎo)相、Q相、電四極矩相、非常規(guī)量子臨界行為等。雖然重費米子超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度很低,但其中豐富多樣的實驗現(xiàn)象與凝聚態(tài)物理的前沿發(fā)展有著密不可分的關(guān)聯(lián)。理解重費米子超導(dǎo),對于非常規(guī)超導(dǎo)的微觀機理研究和新奇超導(dǎo)體的探索具有重要意義。本文主要通過構(gòu)建一個試圖探索重費米子超導(dǎo)的唯象理論框架,具體研究了CeCoIn_5和CeCu_2Si_2中的超導(dǎo)行為。我們考慮的唯象理論框架基本內(nèi)容可分為三方面:(1)我們采用第一性原理計算方法與合適地處理關(guān)聯(lián)效應(yīng)的方法相結(jié)合,得到材料的能帶結(jié)構(gòu),或直接采用實驗擬合得到緊束縛模型;(2)在超導(dǎo)由量子臨界漲落誘導(dǎo)的圖像下,考慮量子臨界漲落的唯象描述,得到超導(dǎo)配對的有效相互作用形式;(3)結(jié)合電子結(jié)構(gòu)的能帶/軌道特征,利用Eliashberg理論來研究超導(dǎo)的性質(zhì)。根據(jù)重費米子二流體唯象理論中提出的類BCS-T_c公式,我們利用唯象的理論框架對此進行了計算與驗證。我們以CeCoIn_5為研究對象,考慮了材料在掃描隧道顯微鏡實驗上擬合得到的緊束縛能帶,以及將材料相關(guān)實驗參數(shù)作為唯象磁化率的輸入,構(gòu)建了描述CeCoIn_5超導(dǎo)的Eliashberg方程組。我們首先在弱耦合近似下得到CeCoIn_5超導(dǎo)能隙函數(shù)具有d_(x2-y2)波對稱性,與實驗吻合。然后,將得到的能隙函數(shù)的動量分布作為輸入,在強耦合情形下計算得到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c的標度關(guān)系。這一關(guān)系與類BCS-T_c公式形式上一致,為重費米子二流體唯象理論提供了有效的支撐。自從重費米子超導(dǎo)體CeCu_2Si_2中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性30多年以來,實驗上普遍認為其超導(dǎo)能隙具有線節(jié)點的行為。但是,最近幾年來,越來越多更精確的實驗表明,其超導(dǎo)能隙是無節(jié)點的。實驗上提出了關(guān)于CeCu_2Si_2超導(dǎo)配對對稱性的不同預(yù)言,但缺乏足夠的微觀理論支撐。我們利用第一性原理計算結(jié)合在位庫侖相互作用的方法計算了CeCu_2Si_2的能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)CeCu_2Si_2的費米面主要由一個準二維的電子費米面和一個三維的空穴費米面組成。在兩帶的唯象配對相互作用下,通過求解線性化的Eliashebrg方程組,我們得到了CeCu_2Si_2可能的超導(dǎo)配對對稱性。當帶間配對相互作用占主導(dǎo)時,我們可以得到無節(jié)點的s~±波對稱性,這一結(jié)果符合實驗預(yù)期,得到的能隙比值也與實驗擬合基本一致。s~±波中的符號反轉(zhuǎn)也能夠解釋中子散射和核磁共振實驗。通過進一步的電子結(jié)構(gòu)分析,我們推斷在CeCu_2Si_2的超導(dǎo)中,空穴費米面上的電子起到了關(guān)鍵的作用。最后,我們預(yù)言了加壓下由于費米面拓撲的變化,配對相互作用由帶間主導(dǎo)過渡為帶內(nèi)主導(dǎo),導(dǎo)致超導(dǎo)由無節(jié)點的s~±波過渡為有節(jié)點的s波的理論預(yù)言。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O511.3
【圖文】：

的過程越顯著；二是受晶體中雜質(zhì)或缺陷的影響。隨著溫度的下降，一般金屬的電阻也隨之降低，但當溫度很低時，許多金屬的電阻率會趨于一個常數(shù)，由此外延到溫度為零時的數(shù)值稱為剩余電阻率，如圖1.1（a）中金（Au）的電阻行為。二十世紀初期物理學研究的方向之一，是探索實現(xiàn)接近絕對零度的低溫，并以此來研究固體材料的行為。1911 年，荷蘭物理學家H. K. Onnes 利用實現(xiàn)的液氦環(huán)境測量了金屬汞（Hg）的電阻行為[3]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度低于4.2K 時，汞的電阻驟降為零（如圖1.1（a）中的插圖）[2]，這是實驗上首次觀測到超導(dǎo)現(xiàn)象。(a) (b)圖 1.1: 零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性行為。（a）金屬Hg中觀測到的零電阻行為和金屬Au的電阻行為的比較[2]，插圖為K. Onnes 測量Hg的電阻實驗數(shù)據(jù)[3]；（b）超導(dǎo)體的完全抗磁性行為示意圖[4]。1

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