f-电子材料中磁性量子临界、超导及阻挫的相互作用

The interplay of electron correlation and frustration and the emergence of unconventional superconductivity have become a central issue in the physics of strongly correlated electron systems and are highly relevant in materials science. Unconventional superconductivity has been found in a variety of materials at the brink of magnetism. Heavy fermion systems turned out to be ideal setting to explore the interplay of quantum critical fluctuations with spin frustration and pairing fluctuations. Rare earth compounds where frustration dominates physical properties include Pr2Ir2O7 and the Shastry-Sutherland lattice compound Yb2Pt2Pb. A concrete example where a metallic spin liquid seems to occur in close proximity to a Kondo-destroying quantum critical point is Ir-doped YbRh2Si2. The standard approach to correlated fermions is the dynamical mean field theory (DMFT) that treats local dynamical correlations accurately but ignores any spatially extended correlations beyond the Gaussian approximation. It is thus inapt to study the dynamic interplay of magnetic correlations with Kondo screening processes, unconventional pairing fluctuations, or spin frustration. Here, I propose to develop an extension of the DMFT that combines an extended DMFT version capable of capturing the dynamic competition between the Kondo effect and the RKKY interaction with a perturbative scheme, termed dual fermions, that would allow the study of spatially extended correlations like spin frustration and pairing fluctuations. In important technical aspect in any DMFT scheme is how to obtain the solution of the underlying self-consistent quantum impurity problem. In addition to the now standard solver, the continuous-time quantum Monte Carlo, we will investigate how the dual fermion scheme can be applied on real frequencies in order to bring in dynamical large-N and self-consistent diagrammatic methods and if the numerical renormalization group (NRG) can be used within the proposed multiscale method. If successful, we expect a number of insights regarding the role of spin frustration on the universal phase diagram of the heavy fermions and to the emergence of superconductivity near Kondo-destroying quantum criticality. An application to d-electron based materials should also be possible.

电子关联、阻挫及非常规超导已经成为强关联物理的中心问题。大量非常规超导现象出现在材料的磁性边缘，而重费米子系统则是研究量子临界涨落、磁性阻挫及配对涨落的理想系统。处理关联费米子的标准方法是动态平均场理论(DMFT)。该理论能够精确处理局域的动态关联效应，但是忽略了高斯近似之外的空间延展的关联效应，所以无法处理磁性关联与近藤屏蔽的动态相互作用，非常规配对涨落，或磁性阻挫等。为此，本项目拟建立一套动态平均场理论（DMFT）的延伸。该延伸结合了一套可以捕获近藤效应与RKKY相互作用动态竞争的拓展动态平均场理论，以及一个可以用于研究空间延展关联作用的微扰方法--对偶费米子法。若项目获得成功，这将有助于我们理解自旋阻挫在重费米子普适相图中，及其在近藤破坏量子临界点附近的超导产生中所起的作用。同时，该方法也应适用于d-电子材料。

强关联材料有着非常丰富的相和物理性质，理解其中的物理机制不仅具有学术上的研究价值 ，更是为制造有特定性质的专用功能材料提供理论基础。其中最令人感兴趣的是f电子材料中出现的超导电性。在这些通常被称为重费米子化合物的体系中，其低温性质是由体系中局域和巡游自由度之间复杂的相互作用决定的，这也是通常强关联的一个特征。描述这些材料中近藤屏蔽和RKKY相互作用竞争的低能有效的模型是近藤晶格模型。RKKY相互作用可以是长程的铁磁或者反铁磁性的相互作用，对于和实际情况更相关的反铁磁性相互作用，RKKY相互作用通常是可以阻挫的。通过改变模型中的近藤耦合强度，近藤效应和RKKY效应也会相应的调控，导致低温下体系会从一个顺磁相经历量子临界点到一个可能的磁有序基态，即由磁性的零温量子相变。事实表明，这样的量子临界现象通常会产生超导。结合动力学大N近似和其它相似的自洽方法，重整的微扰理论，蒙特卡洛方法以及其它一些唯象的方法，我们对在f电子体系中支配磁性临界点附近物理性质的局域化和关联效应两者之间如何动态的相互影响有了新的见解。. 我们得到了发生在平移不变的体系中的电子局域化。这会导致安德森绝缘体，我们进而研究其与电荷密度波序之间的相互作用。另外，我们还给出阻挫是如何诱导经典和量子的液体态。我们还得到了局域量子临界在光电子实验中的标志特征。在与实验课题组紧密的合作中，我们获得了以下结果：.1、近藤效应开始的温度比传统认为的更高。.2、在f电子过渡金属材料中晶体场激发和重费米子物理之间有着复杂且紧密的联系。.3、晶格的近藤关联的建立是量子临界的先决条件。只有近藤晶格被很好的建立起来后，量子临界涨落才能发生。. 这些在我们研究中获得的见解应该与很多有观测到电子局域化的强关联材料的非费米液体现象相关的，包括铜氧化物高温超导体和有机电荷转移盐。

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