高温超导电子结构基因理论和临界拓扑半金属材料
本文关键词：高温超导电子结构基因理论和临界拓扑半金属材料 出处：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：自铜基和铁基高温超导体被发现以来,非常规高温超导体的配对机制成为了凝聚态物理领域中一个大的挑战。关于高温超导机制,有各种讨论,至今没有统一的定论。造成以上现象的因素很多,如材料本身的复杂性、丰富的物理相图以及缺乏精确可靠的理论计算方法。然而,除了这些原因,还有一个主要的原因:理论上缺乏一些基本原则来指导寻找新的高温超导体。是否从理论上能够给出有效的指导来发现第三类高温超导体呢?我们认为是可以的,原因如下分析。首先,通过对铁基高温超导多年的研究,已经给出了许多有价值的实验和理论数据,我们认为铜基和铁基高温超导应该具有共同的超导机制;铜基和铁基高温超导具有许多共同的特征,同时也有一些不同的性质,这些相似性和差异性能给我们提供一些有价值的思路。其次,从过去的研究中,很清楚地发现,高温超导材料是很稀少的;对于目前发现的两类高温超导体,他们的超导电性稳定地存在于Cu02层和FeAs/Se层。这种稳定性和稀少性表明非常规高温超导对电子环境有特殊的要求,这种特殊的电子环境可以定义高温超导体电子结构基因。因此,我们可以通过电子结构基因来寻找高温超导材料。通过研究这两类高温超导体,我们提出两条基本原则来统一理解铜基和铁基高温超导体:第一条是对应原则,主要是说短程的磁交换相互作用和费米面共同协作来获得高温超导以及决定超导配对对称性;第二条是选择性磁配对原则,超导是由超交换引起的反铁磁耦合导致的,这种超交换是由阳离子-阴离子-阳离子化学键形成的而不是由直接的阳离子d轨道化学键产生的。这两条原则对以下问题给予了统一的解释:为什么铜基是d波超导以及铁基是s波超导。在这两条原则的指导下,我们预测了两类高温超导电子结构基因。第一类是以三角双锥配位通过共享顶角而构成的二维六角晶格。d7电子填充结构满足我们提出的基本原则,而且能实现高温超导。如果拥有这种结构的Co2+/Ni3+基的新材料能够合成,那么这类材料具有d土id配对对称性,而且其最高的超导转变温度会超过铁基超导体。第二类是以四面体配位通过顶角共享形成二维四方晶格,这个结构只有铁基超导结构的一套子格子。当d轨道填充数为7时,费米能级附近的电子结构主要是由tzg轨道贡献。我们预测这类高温超导体具有d波配对对称性,而且最高Tc能高于铁基超导。根据提出的两类可能高温超导结构单元:三角双锥配合物和顶点共享的四面体配合物,通过卡里普索(CALYPSO)结构预测软件和第一性原理计算来预测可能的高温超导材料。第一类预测的材料是三维和二维Mg2CoO3,通过比较不同预测结构的基态能,三维a-Mg2CoO3和二维e-Mg2CoO3是最稳定的。为了进一步确定结构的稳定性,我们也对a(e)-Mg2CoO3晶体结构做了声子谱计算,在整个布里渊区中没有虚频。我们也计算了 a(e)-Mg2CoO3的电子结构,和YNiO3的电子结构一致,而且满足我们提出的两个基本原则。第二类预测的材料是 A2O2CoSe2(A=La,Ce,Tm)和 R2F2CoSe2(R=Ca,Sr,Ba)。通过计算基态能和声子谱,A2O2CoSe2-Ⅰ和R2F2CoSe2-Ⅰ是最稳定的,而且电子结构也和YNiO3一致。因此,这些预测材料是高温超导的候选者。除了材料预测,我们在数据库中发现一个材料BaCoSO,它的晶体结构接近我们提出的第二类高温超导结构。它的母体化合物是一个反铁磁莫特绝缘体,通过参杂,费米面附近的电子结构主要是t2g轨道贡献。我们预测:如果反铁磁序被抑制,一个具有d波配对的高温超导会出现。在材料搜索的过程中,我们发现一个具有铁基111结构的材料-KMgBi。通过第一性原理计算,KMgBi(A=K,Rb,Cs)是对称性保护的拓扑半金属,而且处在type-Ⅰ和type-Ⅱ Dirac半金属的边界上。通过K位参Rb或Cs,这能驱动type-Ⅰ和type-Ⅱ之间的相变。我们写了一个有效模型来描述费米面附近的电子结构,同时也计算了费米弧、自旋结构以及朗道能级。我们认为可以使用各种实验方法来观测这些临界Dirac半金属的特征。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O469
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