測繪科研項目申請書

一、研究內容

本項目將着重於新型量子功能材料的物性表徵和新型量子功能材料的探索。主要研究方向為關聯繫統中的高温超導體、龐磁阻材料、石墨烯和拓撲絕緣體等材料中的電荷、軌道、自旋等自由度相互競爭、相互耦合，以及因此產生的多個量子態競爭和共存、自旋量子霍爾效應等現象。探索新型量子功能材料、發現新的量子態；對新型量子材料的物理基本性質進行研究、輸運性質進行高精度測量、結合理論研究理解關聯體系的物理機制；利用各種實驗手段測量石墨烯和拓撲絕緣體的物理性質，研究因維數效應產生的新奇物理現象。按照項目的不同側重點和研究手段的不同，將項目按照材料探索、物性研究、輸運性質的高精度測量和低維體系四個方面展開研究：
１、新型超導材料和量子態的探索：
本課題的首要目標是探索新的高温超導材料，同時發展晶格結構和電子結構分析技術，以及超高壓測量技術，分析自旋、電荷、軌道等有序現象，努力發現新的量子現象。研究內容互相補充，細分為以下幾個方向：
（1） 新材料的探索與合成及單晶生長：探索新超導材料，主要從事鐵基超導材料以及類似的層狀、多層含有類似Fe-As面的多元化合物的探索，以及包含稀土和過渡元素的其他層狀多元化合物中的新材料探索；總結樣品合成和成相規律，發展新方法、新工藝，尋找新現象、新效應；另外將生長高質量單晶樣品以用於深入的物理研究。
（2） 晶體結構表徵與研究：對發現的新材料進行晶格結構、化學成分的表徵，從而促進材料的探索；研究新的結構現象，深入分析新型超導體的微結構－物理性能之間的關聯，研究化學成鍵、電子能帶結構，研究高/低温結構相變等，研究晶格中缺陷、畸變對超導的影響。
（3） 超高壓下的量子效應研究：研發一套超高壓低温測量系統（100GPa，1.5K），在此基礎上研究超高壓下鐵基材料以及其他新材料中可能出現的新奇量子現象、超高壓對超導轉變的影響、高壓高場下材料的物性和相圖，探索高壓下可能出現的新量子態和新奇量子現象。
（4） 中子散射研究：研究銅氧化物和鐵基高温超導材料以及其他新材料的晶格精細結構，電子自旋、電荷、軌道有序結構，研究超導材料及其母體中的自旋激發、自旋漲落的形成、演變及其和超導的關係，研究材料中形成的新的量子態和量子現象。
２、關聯體系量子功能材料的物性研究：
利用譜學的方法研究新型量子功能材料的電子結構，主要包括ARPES，STM和自旋極化的STM（SP-STM），以及紅外光譜的方法研究關聯繫統（以高温超導體和龐磁阻材料為主）的電子結構，爭取在高温超導和龐磁阻材料的機理研究中有重大突破。具體到各種譜學實驗方法和強關聯體系中的問題，細分為：
(1) 以高精度角分辨光電子能譜為手段，深入研究以高温超導體（包括銅氧超導體和鐵基超導體）為主的多種新奇超導體材料。本項目將結合我們在高温超導材料和角分辨光電子能譜上的優勢，對高温超導體進行深入系統的研究，重點研究超導態對稱性、贋能隙、電子與其它集體激發模式耦合等現象。
(2) 錳氧化物體系，特別是三維鈣鈦礦結構錳氧化物薄膜的電子結構，我們將在不同晶格參數的襯底上生長具有不同組分和厚度的高品質外延錳氧化物薄膜，用ARPES原位測量體系的電子結構。總結錳氧化物體系電子結構隨組分、應力和温度的變化規律，研究電子－電子及電子－波色子相互作用對電子行為的影響，揭示電子結構和宏觀物理特性之間的聯繫。從電子結構的角度出發試圖闡明錳氧化物體系龐磁阻、相分離、電荷軌道有序等異常物理性質的內在機理。
(3) 利用STM特有的原子級空間分辨率，局域態密度能譜，能量分辨譜圖，及原子操縱功能。通過高分辨率的空間掃描成像，定位表面相關原子層結構，特別是摻雜原子的位置。研究摻雜原子對錶面原子層結構的調製。 通過局域態密度能譜，研究庫珀電子對的激發態（超導能隙）與贋能隙（pseudogap）的關係。通過分析能量分辨譜圖，研究超導序的二維結構及其演變規律。通過改變温度，調整摻雜濃度，及外加磁場，我們可以直觀地觀察超導序表面二維結構的變化。

(4) 發展SP-STM技術研究高温超導材料中電子自旋結構。這個新型的SP-STM將能提供原子級空間分辨率和自旋極化分辨的譜圖圖像。利用這一工具，我們將着重研究在反鐵磁與超導共存的高温超導體中的反鐵磁自旋結構，超導磁通蝸旋中反鐵磁核心的存在早已由SO(5)理論預測，此結果將驗證SO(5)理論預測的結果。另外，我們將利用這一工具研究表面吸附的磁性原子對局域態密度能譜的影響及其與超導電子對的相互作用。
(5) 建設強磁場下的紅外反射譜測量系統，研究磁場下高温銅氧化物超導體和鐵基超導體的準粒子激發行為。重點研究銅氧超導體和鐵基超導體中電子與集體激發-聲子激發/自旋激發模式的耦合問題。我們將用光學響應或光電導譜對材料的電子結構，傳導載流子的動力學性質等重要信息進行分析，研究超導配對引起的能隙特徵，揭示電子是與何種集體模式存在較強的耦合等基本信息。
(6) 利用高壓多重合成條件獲得結構簡單和性質獨特的高質量的銅基和鐵基高温超導體及巡遊磁性體系單晶，探尋關聯體系金屬化過程的量子序及其調控機制。在我們成功的高温高壓合成以上具有特點的多晶材料的基礎上，進一步優化壓力、温度和組分等極端合成條件，研製和研究在結構簡單的、高質量的含鹵素的Sr2CuO2+δCl2-x高温超導體單晶和可能的巡遊型BaRuO3單晶，以及“111”型鐵基超導體單晶體；運用多種能譜學、磁性、顯微學等物理條件的綜合表徵體系，研究揭示這些體系的量子有序規律。
(7) 利用我們發展的新的理論和計算方法，結合實驗組的研究進展對多種過渡金屬氧化物及其奇異物性進行定量的研究。一方面，為各種實驗現象及其物理本質提供理論解釋，另一方面，計算模擬並預測一些新型的量子有序現象，包括金屬-絕緣體相變，軌道選擇性的Mott轉變，軌道有序態，Berry相等等。主要研究內容包括自旋與軌道自由度相關的量子現象計算研究； 受限強關聯電子系統中的量子現象計算研究。
３、量子材料輸運性質的高精度測量
(1) 首先我們將致力於自行研製加工一套較完備的電學、熱學和磁學測量裝置，其中包括熱導率、熱電勢、能斯特效應、微晶比熱和微槓桿磁強計等較獨特的手段。這些裝置將可以工作在低温、高真空、強磁場的極端物理條件下，測量結果的精度具有國際領先水平。將完善一套低温比熱測量裝置，獲得比一般商業手段高出一個量級的測量精度。建造一套轉角度的比熱測量系統。研究非常規超導體的低能激發和配對對稱性。完善小Hall探頭系統和磁場極慢掃描的振動樣品磁強計，精密測量磁場穿透行為，確定下臨界磁場和超流密度隨温度的變化關係。
(2) 我們將對高温超導體、鐵基超導體和鈉鈷氧體系進行深入的實驗研究。這三個體系的共性是由於電子強關聯作用，電荷與自旋自由度有分離的傾向，然而相互之間又存在着精微的相互作用，從而導致高温超導、超導與磁性緊鄰甚至共存、居里-外斯金屬等奇妙的物理現象。如何理解電荷與自旋自由度的關係是強關聯物理的核心理論問題之一。我們可以通過選取特定的研究手段而選擇性地分別探測電荷與自旋元激發，也可以同時研究二者之間的相互作用。將這些不同的手段結合起來將可以對關聯體系中電荷與自旋的行為提供一個較完整的圖像。我們關注的主要問題包括磁性與超導的相互關係、電荷與自旋有序態的形成機制、自旋自由度對電荷輸運和熵輸運的影響，等等。
(3) 電荷與自旋的相互作用也是很多功能性關聯材料在器件應用方面的物理基礎，例如鈉鈷氧體系中自旋熵對熱電效應的貢獻、多鐵材料中外加電場對自旋取向的控制、錳氧化物中外加磁場對電阻的巨大影響，等等。在對電荷自旋相互作用基本原理的理解基礎上，我們還將探索它們在功能性器件應用方面，特別是超導效應、熱電效應、磁阻效應等在能源和信息領域的新思路、新途徑。

(4) 充分利用化學摻雜和結構修飾進行新量子材料體系的探索工作。採用合適的化學合成方法以及良好的合成設備，獲得高質量的合乎要求的樣品。採用x射線衍射、電子顯微鏡等常規實驗手段對樣品進行結構表徵。必要時，通過同步輻射、中子衍射等大型研究設施對系統的結構作更細緻的測量。對高質量樣品進行各種精密的物理性質測量。包括電阻、磁電阻、霍爾效應、熱電效應、能斯特效應、磁化強度、比熱、熱導、光學性質以及核磁共振和穆斯鮑爾譜等。歸納、總結系統的物理規律特性與電子相圖。
(5) 在新型鐵基超導體系方面，我們將以元素替代作為主要探針，研究鐵基超導體的超導機理。理論上擬以CeFeAsO1-xFx 、CeFeAs1-x PxO等材料為代表，發展從磁性“壞金屬”或“近莫特絕緣體”到重費米子液體過渡的理論框架，用平均場等方法、結合數值計算來研究這一理論，並以此來解釋鐵基超導材料在輸運性質、磁學性質等方面表現出來的多樣性和複雜性，探索這類體系中可能出現的奇特量子相變和相應的量子臨界性。
(6) 在銅氧化物高温超導方面，結合前述精確實驗測量，我們將以摻雜莫特絕緣體模型為出發點，研究贋能隙區可能存在的隱藏的量子序、量子序和超導態的競爭和共存、費米麪的重組、以及到費米液體區的量子相變。希望由此理解超導相圖中在最佳摻雜區附近可能出現的量子臨界點以及相聯繫的一系列反常輸運和磁學性質；在重費米合金方面，我們擬以CeCu2（Si1-xGex）2等材料為代表，具體考察關聯雜化項對量子臨界點產生的影響，研究由於可能由於壓力效應引起的f軌道價態雜變化，以及兩個近鄰的量子相變，確定相應的電阻標度行為和量子臨界性。
４、低維量子體系和量子態的研究：
(1) 探索製備高質量的石墨烯單晶的方法，研究生長條件對單層石墨烯結構的影響，探索重複性好、效率高、成本低、易控制的製備技術。表徵單層石墨烯長程有序度。 通過變温、低温STM/STS，深入研究石墨烯體系的本徵電子結構以及缺陷、摻雜對電子結構的調製。生長高質量拓撲絕緣體單晶，研究它們的基本性質。
(2) 探索和生長高質量的拓撲絕緣體材料，拓撲絕緣體大部分是合金材料，需要優化目前晶體生長工藝。 爭取準備組分分佈均勻，形狀規整的大尺寸二元固溶體多晶錠料。
(3) 利用STM和掃描隧道譜(STS)表徵，研究膜石墨烯的幾何結構和本徵電子結構。測量石墨烯膜的扶手椅型邊緣和鋸齒型邊緣的局域電、磁性質。將充分發揮變温STM的優勢，研究單個分子以及多個分子在石墨烯表面可能的奇異動力學行為或幾何結構，物化特徵。
(4) 利用STM研究在拓撲絕緣體的金屬表面態；通過表面沉積非磁性雜質研究狄拉克費米子和雜質的相互作用，無磁性中性雜質對於拓撲絕緣體表面狄拉克費米子的散射，為輸運性質的研究提供基礎,檢驗和理解前人有效理論預言的拓撲磁電效應。 利用自旋分辨的STM技術，觀察雜質在實空間誘導的自旋texture。在表面沉積磁性雜質，研究體內磁性雜質所造成的時間反演破缺對於邊界態的影響。 尤其在帶有內部自由度的雜質的研究中，着重研究在拓撲絕緣體背景下兩個雜質的內部自由度相互間的量子關聯， 這對於量子信息處理將可能有重要的潛在價值。
(5) 利用角分辨光電子譜測量石墨烯的電子結構，包括石墨烯的色散關係，電子-聲子相互作用，電子-激子相互作用，能隙的大小等，以及這些參數隨石墨烯層數、石墨烯與襯底相互作用導致的電子結構的變化。利用ARPES研究拓撲絕緣體的表面態，確定能級色散關係，狄拉克點的數目，判定系統是否是強的拓撲絕緣體。利用自旋分辨的ARPES和不同偏振模式的光源分辨電子不同自旋分支的色散關係，測量電子自旋的極化特性。
(6) 利用核磁共振技術(NMR)研究研究三維拓撲絕緣體的磁性質，從磁性質上找到拓撲絕緣相變的證據。使用高壓和摻雜技術調節三維拓撲絕緣體量子相變，進一步研究其在量子相變點的特性。 改進NMR系統，提高核磁共振的靈敏性,從而可以對拓撲絕緣體的表面態進行研究。 研究表面的磁激發譜及其金屬態的特性，從而得到表面態在微波波段的磁性質，並進一步與塊材絕緣態的性質進行對比。

(7) 利用第一原理計算方法（GW）、考慮電子在石墨烯的自能相互作用和電子-空穴相互作用（GW-BSE 方法），解決在外加電場下雙層石墨烯的電子結構，雙層石墨烯的光學性質對外加電場的依賴關係。 以更加直觀的物理語言澄清低能有效理論所包含的物理實質。
(8) 理論研究拓撲絕緣體體內摻雜後的物理性質以及表面態物理性質。 着重研究體系的輸運和光學性質，探討自旋軌道耦合以及拓撲效應在其中扮演的角色。理論研究表明拓撲絕緣體的體內和邊界上支持分數化激發的存在，我們擬從理論上進一步解釋在撲絕緣體上出現分數化激發的驚奇現象。 研究拓撲絕緣體內部以及邊界上的量子關聯和量子糾纏， 理解和直觀地刻畫這種量子關聯對於拓撲序的研究以及應用。