重费米子化合物中磁有序与超导电性的理论研究

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局域磁矩与传导电子强耦合的重费米子化合物,是凝聚态物理学的重要研究方向。近藤晶格模型是描述它的一个基本模型,在强近藤耦合极限下,近藤屏蔽效应使局域磁矩与传导电子形成了无序的近藤单态;而在弱近藤耦合极限下,局域磁矩之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)作用使局域磁矩形成了长程磁有序态。但当耦合强度处于两者之间时,存在竞争的两种机制均无法压制对方,体系就会出现许多重要的奇异现象,如磁有序与近藤单态共存、重费米子超导电性、非费米液体现象等,它们一直是本领域最关注的热点问题。本文围绕前两个重要问题进行了深入研究。实验发现长程磁有序与近藤屏蔽效应是可共存的,例如,人们去年发现YbNi4P2中同时出现了磁矩与重费米子特性。我们从零温下近藤晶格模型中两者竞争与共存的相关研究工作出发,在传导电子填充远离半满情形下,引入热涨落效应,研究了有限温时铁磁有序与近藤屏蔽效应之间的竞争与共存,并得到了有限温相图。在共存相,我们得到了铁磁有序与近藤屏蔽效应分别消失的居里温度TC与近藤温度TK,并发现它们消失的主要原因不是温度热涨落,而是它们之间的相互竞争;指出自旋极化型共存相中自旋向上准粒子存在最小激发能隙,发现无激发能隙的非自旋极化型共存相出现的参数区域非常狭小。我们首次定量计算出这两个临界温度,构建了一个更有物理内涵的有限温相图。另外,实验发现了近四十种重费米子超导材料,我们通过回顾重费米子超导电性的基本特征,明确其配对机制不是常规超导电性的电声耦合,而是局域磁矩之间的磁性关联。我们利用二维正方近藤-海森堡晶格模型,在传导电子半填充附近,给出了一种通过短程反铁磁关联诱导的d波重费米子超导配对机制。从强近藤耦合(大JK)的顺磁重费米子液体相出发,我们发现,当短程反铁磁关联强度JH较小时,局域磁矩之间通过自旋子d波配对有效降低了系统基态能量,并通过近藤屏蔽效应,使传导电子之间发生了d波超导配对。局域磁矩自旋子配对集中在(π,π)附近,而传导电子超导配对却主要集中在(0,π)与(π,0)附近;这种d波超导相是否存在零能隙节点与J_H/J_K有关,随着J_H/J_K的增大,体系会经历一个从节点型到无节点型d波超导相的连续量子相变。这种机制为研究磁有序与超导之间的竞争与共存奠定了理论基础。
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