2011CB921700-G关联电子系统量子调控研究.doc

赚客宝，知库宝项目名称：关联电子系统量子调控研究首席科学家：王玉鹏 中国科学院物理研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标本项目的总体目标： 本项目的总体目标是在关联电子系统中发掘合适的量子调控对象，发现和制备新的量子物态，探索基于低维电子体系的量子器件的量子调控原理，做出重要的原始创新性的成果，取得有国际影响的重大突破，提升我国在该领域的影响力和自主开发核心技术的能力，为我国下一代信息技术的发展提供前瞻性的科学储备。 同时，希望通过组织这一项目，凝聚关联电子系统方面的优势兵力，达成优势互补，材料、实验、理论和计算研究的紧密结合，锻炼出一支高水平且有国际竞争力的研究队伍，培养优秀的、扎根国内且具有国际水准的学术带头人，培养优秀的研究生和博士后，并充实到量子调控的研究队伍中。五年预期目标:1) 深入研究不同强关联电子系统的基态和低能激发行为，深刻理解不同有序态和量子涨落的起源，增进对关联电子系统中的多体合作现象的认识。发展尖端的实验分析方法。 2) 掌握分子、金属或半导体在固体表面低维结构的生长规律，通过实验与理论的有机结合，揭示低维结构自组装生长的机理以及结构与性质之间的内在联系，实现人工小系统的可控自组装生长以及对其性能的可靠调控。3) 制备高质量的低维材料样品，完善器件制备的微加工技术，发展和完善极干净的极端条件实验测量系统，深入研究低维关联电子系统的宏观量子态及其量子输运问题，研究量子物态时间演化的动力学过程及其量子调控问题，探讨制备量子器件的可能性。 4) 采用我们自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪以及真空紫外激光自旋分辨电子能谱仪,研究典型低维系统以及其它具有奇异量子现象的电子关联系统的电子与自旋结构。深入认知电荷、自旋、轨道以及晶格间的相互作用所致的丰富的量子现象及其基本变化规律，做出原创性的工作，为实现量子调控、发展和建立多体量子理论体系、构建新的量子态提供重要信息。5) 发展和建立研究凝聚态物质中由于多种自由度及其相互作用所之间的竞争所产生的各种有序相及其量子相变行为与物理机制的新概念和新方法，解释和预言关联电子材料中发现的物理现象，探索关联物质中各种新奇宏观量子态产生的物理根源与联系。发展量子多体理论和方法，解决包括竞争序、新奇物态与量子现象中的若干基本理论问题。五年度争取发表学术论文140篇以上，影响因子3以上的论文60篇以上。三、研究方案1）总体思路和创新点： 要在众多关联电子系统中发掘合适的量子调控对象，发现和制备新的量子物态，发展新的、最佳的量子调控方法，必然涉及到很大的工作量。为此，我们的总体研究方案是集中优势兵力, 强调材料、实验、理论和计算之间的互相促进与合作，按照研究手段和研究对象各自的特点，从几个不同但又相互联系和补充的角度组织课题，选择性地同时研究包括过渡族金属化合物（课题一）和低维和纳米体系（课题二）等两类各不相同的典型电子系统中的量子调控问题。而ARPES等谱学实验手段（课题三）和相关的理论研究（课题四）对于各个方向上的研究都具有支撑的作用。在本项目的研究中，我们将用有特色的实验手段，针对特定的科学问题，在高质量的样品上开展研究。我们将利用低温、强磁场等综合极端条件，结合当代多种重要物性测量技术, 包括微观结构、光学、输运、磁性、热力学等低能激发测量手段, 研究关联电子系统的激发行为，利用自旋分辨深紫外激光角分辨光电子谱研究强关联电子体系的电子结构和自旋结构，阐明关联电子系统复杂量子现象背后的机制。我们不仅希望在前面提到的拟重点解决的科学问题方面取得突破、做出有重要意义的原创性工作，同时也力争发现新的重要现象，培育新的学科生长点。我们通过以下技术途径实现本项目的研究工作：1. 高质量的样品的制备高质量样品的制备是基础。在过去的几年中，我们尤其加强了在高品质样品制备方面的投入和力量。我们生长了多个家族的过渡金属氧化物和硫化物单晶样品，我们生长的NaxCoO2单晶、CuxTiSe、Fe基超导体、高温超导体等品质在国际上都是最好的，不但满足我们自己的研究需要，还提供给国际上多个著名实验室进行合作研究。研究内容中所提到的主要待研究系统，我们均已自己生长或通过国际、国内合作获得了开展研究工作需要的高品质样品。它们为研究工作的开展提供了基本的保证。2. 当代多种重要物性测量技术结合利用低温光学谱研究关联电子系统的电荷动力学行为。光学谱是物性研究的一个重要实验手段，它可提供固体中准粒子激发和材料中电子状态与电子结构方面的丰富信息，对认识材料的物理性质和背后的机理有很重要作用。利用固体核磁共振谱研究自旋动力学，对超导体的超导配对对称性及磁性和超导的竞争能提供丰富的信息。通过低温和强磁场下热力学性质、磁性和输运性质的测量研究部分强关联过渡族金属氧化物基态和激发态行为。我们将特别关注具有非常规超导电性或存在磁性和其它竞争序的体系。3. 利用自旋分辨深紫外激光角分辨光电子谱研究电子结构和自旋结构理解关联体系的电子结构和自旋结构，是最终理解各种新奇量子现象和物性的关键. 角分辨/自旋分辨光电子能谱技术是关联体系电子结构和自旋结构探测的最直接和最有力的工具。随着实验精度和效率的显著提高，已经从传统的简单能带测量工具发展成为一个重要的研究多体问题的谱学手段，对理解和解决很多现代物理中最深层次的问题产生了极大的影响。 本项目将采用超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱和真空紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪等自主研发的关键实验手段, 结合高质量样品制备和表征，以及理论和其它实验上的密切合作，对关联电子系统中的新奇量子现象和调控机理, 从电子运动微观动力学的角度开展研究.4完善极干净的极低温实验测量系统对低维电子材料的量子调控研究需要有特别干净的实验测量和调控手段。我们将采用把核绝热去磁制冷手段与固态量子计算的测量系统综合到一起的技术路线，通过采用严格仔细的接地、屏蔽、滤波和隔离措施，希望能够实现mK级的极低电子温度，从而最大程度降低热涨落对量子态的退相干影响。同时，我们将运用时间域的超快电学量子调控实验手段研究宏观量子态的演化，实现对其的调控。5、用相干THz光、磁场、电场等多参量量子调控并研究低温下物质的电子态我们已经建成了具有国际水平的单个连续调谐THz相干光源和超导磁体的磁光电测量系统，该系统可以用相干THz光对低温下物质中能级间隔在mev量级的量子态进行选择性激励，并可以同时外加磁场和电场。也就是说，该系统具有对低温下物质电子态进行多参量量子调控的功能。我们计划用这一设备进行以下的研究：（1）对新超导材料的超导膜进行量子调控，探测其超导能隙特性。（2）对传统超导体材料的人工介观结构进行量子调控，研究其特有的光电响应特性。（3）研究超导膜中的旋光效应。（4）尝试探测二维电子气的量子霍耳效应在THz光选择性激励下的响应。6. 理论、计算和实验结合研究关联系统中竞争序与量子相变在理论方面从研究相互作用的多样性、材料组分的多样性与结构的多样性入手，考虑电荷、自旋和轨道之间的竞争，探索关联系统中新奇的量子现象的物理机制。在磁性材料中的考虑自旋轨道耦合相互作及时间反演对称性破缺，研究这些材料的热、电、轨道及自旋输运现象。我们将围绕磁性系统中反常输运性质这个重要物理问题，分析和建立一套相应的理论与方法。通过非平衡格林函数方法研究在远离平衡状态下的低维体系量子相变。 在强相互作用的冷原子系统中的量子现象：采用玻色Hubbard模型研究光格子势阱捕获玻色系统的奇异物态, 发展一套量子多体理论，在此基础上冷原子系统中可能实现的超固态。在计算方面发展密度矩阵重整化群方法与动力学平均场理论为突破口，研究非常规材料中的新奇物态及量子相变，为理解其中的关键问题提供理论方法。发展和利用严格多体理论并将其应用到低维冷原子系统。考虑电子的自相互作用修正，发展超越局域密度近似的密度泛函理论与方法，并在此基础上定量研究关联材料中的电子结构和新奇物性。利用严格对角化及密度重整化群等方法研究低维冷原子系统的新奇量子现象。本项目研究具有以下创新点： 1、 我们结合材料生长、物性研究、能谱分析，我们不仅在单一技术上可以得到高水平的关键数据，而且更重要的是,通过紧密合作，结合各种测量结果，我们可以从多侧面融会贯通，达到揭示多个体系的新奇量子现象的本质，并实现对量子态的操控的目的。2、关联电子系统所表现出的奇异量子现象，正是与材料中电子、声子、磁结构和电子轨道的多重相互作用有关。角分辨光电子能谱技术从传统的能带测量工具发展成为最有力的研究材料中多体效应的手段。项目组周兴江研究员和理化所合作成功研制了国际上第一台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，具有超高能量分辨率，超高光束流强度，对体效应测量的增强等许多独特的优势。有希望解决光电子能谱技术长期存在的对样品表面效应极端敏感的问题，把现有的角分辨光电子能谱技术提高到了一个新的台阶。并将在关联电子体系的量子调控机理研究中发挥巨大作用。在此基础上，我们开展了基于真空紫外激光的自旋分辨角分辨光电子能谱仪的研制工作。该设备的突出之处在于,它可以测量完全描述电子状态所需要的所有三个物理量: 能量,动量和自旋. 而且,真空紫外激光的使用,将极大地改进测量精度和效率. 该设备预计于2010年中开始运转，将在材料自旋结构的研究中发挥重要作用。3、我们发展和完善了极干净的极低温实验测量系统，并利用核绝热去磁制冷研究量子计算。同时具有核绝热去磁制冷和量子计算两方面的背景在国际上还很少见，可能是我们具有创新优势的地方。另外，项目组成员还具有时间域的超快电学量子调控和射频单电子器件研究的经验，可以用于研究宏观量子态的演化，实现对其的调控。此外，我们研制成功的世界上唯一具有单个连续调谐THz相干光源和超导磁体的磁光电测量系统，使得我们可以用相干THz光、磁场、电场等多参量量子调控并研究低温下物质的电子态。4、我们在理论方法，理论、计算和实验的结合上具有特色。理论工作者和实验工作者紧密结合，实验结果可以得到充分的理论解释。对于多个参数的调节能力，使得我们可以设计更多原创实验，有针对性地把研究深入下去。可行性分析： 前一期量子调控项目的实施已经为本项目的顺利开展打下了非常好的基础。项目组的成员已经具有了样品生长方面的基础，完全有能力生长出适合实验需要的各种样品。项目组成员也已经拥有了非常好的实验测量手段，其中不少是独具有特色的、国内甚至国际先进的。同时，通过前一期量子调控项目的实施，项目组成员之间还建立起了理论与实验互动的基础。2）课题设置及相互关系：强关联电子体系中的一类重要研究对象是过渡族金属化合物，这类材料表现出包括（高温）超导、巨磁电阻、电荷与自旋密度波、磁性阻挫、重费米子行为、量子相变、以及多种类型的金属绝缘体转变等不同量子态，这些量子态存在着竞争和合作。可以通过外部条件如化学组分、压力、磁场等调控其物理性质。另一类重要研究对象是低维和纳米体系。低维和纳米电子系统蕴藏着丰富的物理现象，有待于去发掘和利用。已知的重要现象包括整数与分数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、金属绝缘体相变、量子相变、拓扑绝缘体等等。用低维材料制备纳米和介观电子学器件，是量子调控的重要研究内容。 因此我们前两个课题分别对这两类不同材料的新奇量子现象和量子调控进行研究。更进一步，强关联电子体系中的各种物理现象是由其独特的电子结构和自旋结构决定的，我们需要探测它们的电子结构和自旋结构以便理解各种现象的物理机制，因此第三个课题的设置就是利用项目组成员研制的国际领先的高分辨激光角分辨光电子谱（自旋分辨）等手段探测关联电子体系的电子结构和自旋结构。同时我们需要相关的理论和计算的支撑（第四个课题）。 本着集中优势兵力, 强调材料、实验、理论和计算之间的互相促进与合作的思路，我们按照研究手段和研究对象各自的特点，从几个不同但又相互联系和补充的角度组织课题，如下四个课题。不同课题之间在研究内容、研究方法和人员配置等多方面存在着有机的联系和配合。 课题一：过渡金属化合物中的竞争序与多体合作现象 课题二：低维关联和纳米系统的量子输运和调控 课题三：关联体系的电子结构及自旋结构的研究 课题四：关联系统新奇量子现象和调控的理论研究课题1 ： 过渡金属化合物中的竞争序与多体合作现象 研究目标： 本子课题主要选择几个重要过渡金属化合物体系，研究其中的竞争序与多体合作现象，包括超导、电荷密度波、自旋密度波、铁磁与反铁磁序等各种对称破缺，并通过多种手段对它们进行调控，研究它们之间的相互作用和转换。 深入研究不同强关联电子系统的基态和低能激发行为，深刻理解不同有序态和量子涨落的起源，增进对关联电子系统中的多体合作现象的认识。发展尖端的实验分析方法。在过渡金属化合物中发掘合适的量子调控对象，发现新的量子物态，发展新的、最佳的量子调控方法，做出重要的原始创新性的成果，取得有国际影响的重大突破。 主要研究内容： 本课题将通过电子输运、远红外到紫外的光学响应测量研究铁基超导体和其它3d与4f层状过渡金属化合物的电荷动力学行为；通过磁化率、核磁共振等测量研究其自旋动力学行为。 1）铁基超导体 研究铁基超导体c方向电荷动力学，揭示在超导态是否存在层间Josephson耦合等离子体模式，和体系是三维色散的各项异性金属还是二维性质。这是能够直接提供重要信息但目前实验尚属完全空白的题目。 研究平面的电荷动力学和不同磁有序结构或磁涨落区间的电荷响应，认识不同的低能和高能激发行为，以揭示关于母体磁性的起源及电子巡游性和局域性之争问题，以对铁基系统的磁性问题有更深刻认识。研究Fe基超导和磁性共存研究和超导配对对称性： 我们研究铁基超导体的相图中超导和磁性是否共存的这一超导机理研究中的重要问题。超导配对对称性无疑是超导机理研究中最重要的问题之一。不同实验手段得到的结果有明显差异，样品的不均匀性和杂质可能是导致不同实验手段得到不同结论的原因。我们将生长不同体系高质量单晶，利用低温比热和NMR研究超导态的配对对称性。 2）. 3d和4f过渡金属化合物中的电荷密度波与自旋密度波： 对1T-CuxTiSe2体系，其母体1T-TiSe2是人们早就知道的电荷密度波材料，但电荷密度波的机制仍然不清楚。该材料的电子结构与铁基超导体有一定相似性，是一个低载流子浓度的半金属（semimetal）。 我们将研究电荷密度波的形成机制及Cu插层之后体系超导与电荷密度波的竞争，揭示低能电子结构的变化。 对稀土金属硫族化合物RTe3系列结构材料，目前的研究并不是很多，我们将研究满壳层的La，Y和含有未满f电子壳层的稀土离子在体系行为上的差异，揭示高温发生的电荷密度波相变和低温自旋密度波相变的起源。另外，我们将通过多种手段（如元素替代、压力、磁场）研究体系行为的变化，特别是通过结构中插层来调控体系的物理性质。由于该材料的层状结构特征，以往已有成功合成出插层结构的报道。如果能够在这样体系中通过插层实现压制高温电荷密度波相变，诱导超导电性则是很有意义的工作。 经费比例： 26% 承担单位： 中国科学院物理研究所 课题负责人： 王楠林 学术骨干： 雒建林、郑萍、石友国、苗杉杉课题2 ： 低维和纳米电子系统的量子输运和调控 研究目标： 预期通过本项目的资助，我们能够制备出高质量的低维材料样品，能够完善器件制备的微加工技术，完善极干净的极端条件实验测量系统，深入研究基于低维电子体系的量子器件中的量子调控原理，尤其是研究量子物态随时间演化的动力学过程，探讨制备量子比特的可能性。 主要研究内容： 本课题着重于低维和纳米电子系统的量子输运和调控研究。主要将研究如下几个方面： A、基于低维手性电子材料的量子器件和调控： 在一些手性碳纳米管、zigzag纳米石墨条、以及自旋轨道强耦合的拓扑绝缘体Bi2Se3等准一维和二维材料中，电子可能表现出很强的手性特征。由于这些手性特征，理论预言将导致一系列奇异的物理现象，比如Berry phase, 反弱局域化, Klein 隧道, 反常 Andreev 反射, 磁单极，Majorana Fermion等。对于这些可能的现象，需要在特定设计的器件中来进行实验观察和验证。而在器件层面上物理机制的澄清，也为将来利用这些现象开展量子调控打下基础。我们将尝试用不同的电极材料（正常金属、超导、铁磁金属材料）来制备不同功能的量子点器件，提供超导样品界面或自旋极化电子注入界面，以开展针对性的研究。 B、GeSi纳米线量子点器件中自旋的量子调控： 国际上比较成熟的固态量子调控工作主要是针对砷化镓二维电子气系统进行的。这一领域基本被两大领先小组美国哈佛大学的Marcus组和荷兰Delft大学的Kouwenhoven及Vandersypen组垄断。但是在砷化镓二维电子气量子点器件中，电子通常只有10ns长的退相干时间，这对于完成复杂的量子调控过程是大大不够的。最近人们发现基于硅量子点或纳米线的量子器件具有较长的电子自旋弛豫时间，在单电子器件的自旋量子调控方面显现出巨大的潜力。所以，这一研究领域可能面临着重新洗牌的机遇。我们拥有生长GeSi纳米线的技术，拥有制备碳纳米管、石墨烯及砷化镓量子点器件的经验。我们将以此为基础，制备GeSi纳米线的量子点器件，开展对其自旋的量子调控和自旋量子比特的探索。 C、金属基底上外延生长石墨烯的电子结构和输运特性研究： 本课题拟将分子束外延技术、扫描隧道显微镜技术，与第一性原理的计算相结合，深入研究金属基底上graphene的外延生长、电子结构和输运特性等；利用graphene和金属单晶表面晶格叠加形成的周期性莫尔图案作为模板，在其上外延生长有机功能分子纳米结构，研究不同的莫尔图案对有机分子组装及电子结构的调控作用；在单分子层次上观测和理解有机分子在graphene上的吸附行为，利用极低温强磁场扫描隧道显微镜研究磁性原子和有机分子与graphene相互作用对体系自旋态的调控；结合四探针扫描隧道显微镜（4P-STM）研究graphene的热电特性，探索其在纳米电子器件方面的应用。 D、分子磁体中量子隧道、量子调控和量子相变研究： 宏观体系主要受经典物理支配，微观体系主要受量子物理支配。分子磁体是一个很好的联接宏观和微观、经典和量子的研究对象。由于分子磁体是由完全一样的具有介观尺度磁性分子组成的，通过宏观测量分子磁体的物性，可以直接观察分子磁体中磁性分子的量子效应。分子磁体是实验研究量子效应的一个简单而且干净的体系，并被认为在量子计算和量子存储上有潜在的应用价值。 目前，分子磁体的量子效应研究主要集中在对于分子之间相互作用可以忽略的分子磁体体系，得到的结果也是单个分子磁体的量子特性。但真正的应用必须考虑分子之间的相互作用，只有通过相互作用才可以对分子磁体进行量子调控。我们计划通过探测分子之间具有较强交换相互作用的分子磁体的物性，探寻其中可能不同于弱作用体系的新的量子现象，研究其中的共振量子隧道、量子相变行为。 经费比例： 26% 承担单位： 中国科学院物理研究所 课题负责人： 吕力 学术骨干： 王云平、景秀年、姬忠庆、杜世萱课题3 ： 关联体系的电子结构及自旋结构研究 研究目标： 研究典型低维系统的电子与自旋结构以及其它具有奇异量子现象的电子关联系统中复杂的竞争序对电子结构的影响。采用我们自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪以及真空紫外激光自旋分辨电子能谱仪, 结合材料制备、结构分析方面的重要力量，深入认知电荷、自旋、轨道以及晶格间的相互作用所致的丰富的量子现象及其基本变化规律，做出原创性的工作，为实现量子调控、发展和建立多体量子理论体系、构建新的量子态提供重要信息。主要研究内容： A、低维关联材料的电子结构和自旋结构 （1） 增强自旋轨道耦合及其与量子阱态的相互作用。 在二维薄膜中，或者在晶体表面,由于非对称性晶体势场的存在，可以实现自旋极化，这一效应被称为Rashba效应。一个重要的问题是如何实现强Rashba效应。实验发现，金属的合金表面可以表现出奇异的增强Rashba效应，但对这种增强的自旋轨道耦合作用的机理尚需进一步的研究。此外，对二维薄膜样品，由于量子阱态的存在，薄膜电子结构受到了显著的调制。 另一个有趣的问题是，自旋轨道耦合 Rashba效应，对量子阱态能级的影响。本项目拟在Pb膜的自旋轨道耦合，量子尺寸效应及其他们之间的相互关系进行研究，深入了解量子尺寸调控下的电子和自旋结构的演变过程以及自旋轨道耦合的机理，为进一步尝试量子调控在自旋电子学的应用提供重要信息。 （2） 拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构。 拓扑绝缘体作为一种新的量子态，因其具有高温自旋电子器件应用潜力而倍受关注。本项目拟利用高分辨率角分辨光电子能谱和自旋分辨光电子能谱， 研究拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构，尤其是其电子结构和自旋结构通过掺杂,维度,吸附,温度,磁场等的演变。 这不仅将为量子调控手段的尝试包括自旋电子学研究提供重要信息，在构建新的量子态方面的研究也有着重要的意义。 B、关联体系中各有序相相互竞争下的电子结构 （1) 非常规超导态和自旋有序态、电荷有序态的竞争。 在很多非常规超导体中，普遍存在超导态和电荷有序或者自旋有序态之间的竞争。我们将研究新发现的铁基超导体和铜基超导体的电子结构和自旋结构，重点是通过以掺杂浓度、外磁场、压力、温度等为调节参量，了解多带体系中由于复杂的电子、自旋、轨道等的相互作用所致的电荷密度波、超导序、自旋序之间的相互关系。同时，通过比较，从不同角度认知宏观量子现象的行为规律，力争更深入地了解复杂的多体量子效应背后的关键因素。 （2）金属绝缘体(Mott)相变和相关多体量子效应。 研究对象为表现出丰富的量子现象的基于莫特(Mott)物理的过渡金属氧化物。 重点是利用角分辨/自旋分辨光电子能谱，研究通过掺杂改变导致的电子结构和自旋结构的演变， 以及多体量子效应随掺杂的演变规律。这些结果，为最终理解强关联体系中的金属-绝缘体转变的微观机制，建立新的理论框架，提供关键的信息。通过探索和理解影响宏观物性的微观机制，力图在微观层次上理解量子相变对各自由度相应的量子效应的提升或抑制。 经费比例： 26% 承担单位： 中国科学院物理研究所 课题负责人： 周兴江 学术骨干： 周放、董晓莉、杨槐馨、何少龙课题4 ： 关联系统新奇量子现象和调控的理论研究 研究目标： 发展和建立研究凝聚态物质中由于多种自由度及其相互作用所之间的竞争所产生的各种有序相及其量子相变行为与物理机制的新概念和新方法，解释和预言关联电子材料中发现的物理现象，探索关联物质中各种新奇宏观量子态产生的物理根源与联系。发展量子多体理论和方法，解决包括竞争序、新奇物态与量子现象中的若干基本理论问题。 我们预期在理论研究方面每年发表8-15篇论文，争取在一到两个研究课题上取得重要突破。 主要研究内容： A、关联系统中竞争序与量子相变： 关联材料中的序竞争，从研究相互作用的多样性、材料组分的多样性与结构的多样性入手，考虑电荷、自旋和轨道之间的竞争，探索关联系统中新奇的量子现象的物理机制。 磁性材料中电子的反常输运机制和规律：考虑磁性材料中的自旋轨道耦合相互作及时间反演对称性破缺，研究这些材料的热、电、轨道及自旋输运现象。 我们将围绕磁性系统中反常输运性质这个重要物理问题，分析和建立一套相应的理论与方法。 低维体系量子相变：充分考虑无序与关联的量子效应，理解低维体系金属绝缘体的相变机制以及相变点附近观测到的奇异现象。通过数值模拟及非平衡格林函数方法研究在远离平衡状态下的量子性质。 B、新量子态的理论探索： 强相互作用的冷原子系统中的量子现象：采用玻色Hubbard模型研究光格子势阱捕获玻色系统的奇异物态。发展一套能有效处理强相互作用低维冷原子系统的量子多体理论，在此基础上研究强相互作用的冷原子系统的普适行为，探索研究冷原子系统中可能实现的新的量子态，例如超固态。研究强相互作用的冷原子系统中的稳定的激发态行为，以及相应的动力学行为。 拓扑量子态：通过研究低维凝聚态系统中一类对外界环境的微扰有很强的抵抗力拓扑量子态，为实现容错量子计算以及深入理解量子相变提供理论依据。C、量子多体理论与计算: 以发展密度矩阵重整化群方法与动力学平均场理论为突破口，研究非常规材料中的新奇物态及量子相变，为理解其中的关键问题提供理论方法。发展和利用严格多体理论并将其应用到低维冷原子系统。考虑电子的自相互作用修正，发展超越局域密度近似的密度泛函理论与方法，并在此基础上定量研究关联材料中的电子结构和新奇物性。利用严格对角化及密度重整化群等方法研究低维冷原子系统的新奇量子现象。 经费比例： 22% 承担单位： 中国科学院物理研究所、北京师范大学 课题负责人： 王玉鹏 学术骨干： 冯世平、陈澍、曹俊鹏、徐刚四、年度计划研究内容预期目标第一年主要是高质量样品的生长和实验手段的完善：我们将生长c方向足够厚的高质量的Fe基超导体单晶样品，开展c方向电荷动力学研究；生长铜氧化物超导单晶LSCO、Bi2201等；生长拓扑绝缘体单晶和薄膜样品等；我们也将生长和制备石墨烯、碳纳米管和纳米石墨条等样品。并结合微结构分析、物性测量等手段对样品进行表征。然后，利用低温STM研究石墨烯本征的电子结构和声子谱，确定缺陷附近的原子结构和电子结构。这一年中我们还需要对实验手段进行优化与完善，我们将发展和完善激光自旋分辨光电子能谱技术，低温、强磁场和高压下的、电学量子调控系统、核磁共振测量系统等。 1）高质量样品的生长2）实验手段的完善3）样品结构和物性的表征4）开展电荷动力学、STM等物性研究。这一年度要为本项目的顺利实施与迅速深入打下坚实的基础。本年度争取发表学术论文25篇以上，影响因子3以上的论文10篇以上。第二年第二年：继续深化和拓展样品生长方面的工作，同时把重心逐渐转移到物性研究方面。生长出系列不同磁长程序或自旋涨落的铁基系统母体和超导体单晶样品，系统测量和比较这几种反铁磁结构或涨落的光反射谱，认识各自的低能和高能激发行为，从整体上对铁基超导体的磁性起源有更加深入的认识。生长Bi2201极度欠掺和过掺单晶。研究Bi2201等铜氧化物的超导能隙和赝能隙随掺杂浓度的变化规律、在欠掺杂开展与金属绝缘体相变有关的电子结构和自旋结构的研究；尝试开展拓扑绝缘体费米面附近的电子和自旋的表现形式。生长GeSi纳米线，制备自旋量子器件。研究自旋极化量子点中的库仑阻塞和自旋阻塞效应。利用石墨烯和金属单晶表面晶格叠加形成的周期性莫尔图案作为模板，采用分子束外延的方法精确控制金属和有机分子的蒸发速率和覆盖度，调节样品温度，在石墨烯上生长有机功能分子纳米结构，研究不同的莫尔图案对金属和有机分子自组装及电子结构的调控作用。 1）继续深化和拓展样品生长方面的工作。2）系统研究铁基超导体光反射谱，从整体上对铁基超导体的磁性起源的认识。3）初步理解高温超导体和低维体系中的电子态的行为表现以及所涉及的自旋结构的变化。4）制备自旋量子器件，研究自旋极化量子点中的库仑阻塞和自旋阻塞效应。本年度把重心逐渐转移到物性研究方面，争取发表学术论文30篇以上，影响因子3以上的论文12篇以上。第三年进一步研究以二硫族过渡金属化合物为代表的电荷密度波/超导体、强关联过渡金属化合物（如NiS2-xSex），电荷涨落和磁涨落及其与超导的关系，理解1T和2H三角格子系统电荷密度波与超导的竞争与合作。深入研究Bi2201、Bi2212， Bi2223等铜氧化物的超导能隙和赝能隙之间的相互关系，结合微结构分析与物性测量充分认知电荷序、自旋序及超导电性在体系中因掺杂质类型、掺杂浓度、外磁场等调节下的竞争与合作的变化规律，特别关注金属绝缘体相变附近的各自由度相互作用所致的复杂的多体效应问题；通过改变掺杂浓度结合温度、磁场等外界条件的调节深入研究拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构。研究量子点器件中自旋调控的动力学行为，研究横向电场对自旋极化的调控，探索制备自旋量子比特。在单分子层次上观测和理解有机分子在石墨烯上的吸附行为，利用极低温强磁场扫描隧道显微镜研究磁性原子和有机分子与石墨烯相互作用对体系自旋态的调控，如Kondo共振态、分子的塞曼分裂、自旋翻转等，探索石墨烯与金属和有机分子间内在的电子和自旋关联作用。 本年度对不同关联电子体系的量子调控机制进行深入研究：1）揭示1T和2H三角格子系统电荷密度波与超导的竞争与合作关系。2）揭示铜氧化物的超导能隙和赝能隙之间的相互关系，及掺杂质类型、掺杂浓度、外磁场等调节下的竞争与合作的变化规律。3）深入研究拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构。4）探索制备自旋量子比特本年度争取发表学术论文30篇以上，影响因子3以上的论文12篇以上。第四年系统研究稀土金属硫族化合物RTe3系列晶体，开展电荷与自旋动力学研究。探索合成插层结构材料，调控性质变化。深化铜氧化物超导体中的赝能隙与超导能隙的相互关系的研究，全面总结它们的普适的变化规律，深入研究其在金属绝缘体相变附近的费米面拓扑形状、自旋结构与磁性质、晶格结构等随掺杂、温度、外磁场的演变过程；深入研究几类典型铁基超导体的电子结构随掺杂的变化规律，特别关注其超导序参量的对称性问题。继续全面研究拓扑绝缘体的电子结构和自旋结构，通过改变掺杂、温度、吸附、磁场等条件认知决定其奇异的能带结构的自旋轨道耦合模式，为实现其量子态可调提供关键信息。利用四探针STM，采用柔软的铟针尖，精确控制针尖的位置，测量石墨烯纳米结构的热电特性、输运性质等。在THz频段和能量范围内调控低维材料的物性。 本年度争取发表学术论文30篇以上，影响因子3以上的论文12篇以上。1) 探索合成插层结构材料，调控性质变化.2) 全面总结高温超导体随掺杂、温度、外磁场的演变过程的普适的变化规律。3) 通过改变掺杂、温度、吸附、磁场等条件认知决定其奇异的能带结构的自旋轨道耦合模式，为实现其量子态可调提供关键信息。本年度争取发表学术论文30篇以上，影响因子3以上的论文12篇以上。第五年深入理解关联过渡金属化合物中多自由度之间的相互竞争和合作。深入研究铁基超导体和其它层状过渡金属化合物（含3d和4f电子）的电荷激发和自旋激发，揭示其中超导、自旋密度波、电荷密度波以及其它有序态的形成的物理机制和它们之间的竞争与合作。在铜氧化物研究方面，深化最大熵方法，解获电子自能中的微细结构和波色子谱函数，系统地研究材料的精细的电子结构和自旋结构特别是自能中的精细结构和相关波色子谱函数随温度和动量的演变，全面总结电荷序、自旋序对超导电性的影响以及它们的相互作用所致的各种耦合模式在铜氧化物和铁基超导体及其它新型材料体系中的地位和作用。继续深入和全面总结在低维体系的电子结构和自旋结构的相关研究，深入认知该体系中由于量子尺寸效应、晶体场等因素对量子态的表面界面态的影响，深入理解电荷、自旋、轨道以及晶格间的相互作用所致的丰富的量子现象及其基本变化规律。 1） 理解过渡金属化合物中电荷、自旋、轨道以及晶格间的相互作用所致的丰富的量子现象及其基本变化规律。2） 揭示铁基超导体超导、自旋密度波、电荷密度波以及其它有序态的形成的物理机制和它们之间的竞争与合作。3） 全面总结电荷序、自旋序对超导电性的影响以及它们的相互作用所致的各种耦合模式在铜氧化物和铁基超导体及其它新型材料体系中的地位和作用。4） 全面总结本项目的研究成果，为实现量子调控、发展和建立多体量子理论体系提供关键信息、构建新的量子态提供重要信息。本年度争取发表学术论文30篇以上，影响因子3以上的论文12篇以上。一、研究内容固态电子系统大致可以分为两大类，一类是存在于晶格中的、与多重自由度相耦合的“复杂”电子系统；另一类是存在于量子阱中、环境相对“简单”的电子系统。存在电子关联效应时，这两类电子系统都会呈现出一系列新奇的量子现象，为我们开展量子调控提供了空间。比如：过渡金属氧化物中的电子系统由于关联效应及与晶格的耦合效应而呈现出复杂反常的物性，包括反常的正常态性质、各种序的竞争、阻挫、基态简并，对于这些现象的认识可能会涉及到量子相变和量子保护等问题。又如：半导体异质结、量子阱和石墨等材料中的二维电子气在极低温强磁场下由于关联效应而变成不可压缩流体，呈现出分数量子统计性质和一系列奇特的宏观量子态。再如：碳纳米管中的一维电子系统由于关联效应而出现电荷自旋自由度的分离，构成Luttinger液体，在一些特殊设计的器件结构中出现电荷输运的量子纠缠等。所有的这些量子力学现象和过程，都属于关联电子体系量子调控的重要内容。 本项目涉及到的量子调控手段包括温度、电场、磁场、压力、门电极、射频和微波激发等手段调控等。我们希望利用这些实验手段，再结合相应的理论工作，对上述几类关联电子系统中的量子调控问题做一个较为深入的研究。 重点研究解决的关键科学问题如下： 1、研究过渡金属化合物体系的竞争序与多体合作现象，包括超导、电荷密度波、自旋密度波、铁磁与反铁磁序等各种对称破缺，并通过多种手段对它们进行调控，研究它们之间的相互作用和转换。 2、研究低维和纳米电子系统的量子输运和量子调控，包括制备基于低维电子材料的介观和纳米量子器件，对其中电子的电荷和自旋开展量子调控研究，探索进行量子计算的可能性。 3、系统研究典型低维系统的电子结构和自旋结构；深入理解具有奇异量子现象的关联体系中电子结构在多自由度相互竞争和合作条件下表现出的复杂的多体量子效应，揭示其微观机理。 4、发展和建立处理量子多体系统的新概念和新方法，研究凝聚态物质中由于多种自由度及其相互作用所之间的竞争所产生的各种有序相及其量子相变行为与物理机制，解释和预言关联电子材料中发现的物理现象，探索关联物质中各种新奇宏观量子态产生的物理根源与联系，为实验研究提供理论依据。 根据所要解决的关键的科学问题，我们拟重点研究以下四方面内容： 1、 过渡金属化合物中的竞争序与多体合作现象的研究： 过渡金属化合物材料包含有众多新奇的量子现象，如超导、电荷与自旋密度波、量子相变、巨磁电阻、以及多种类型的金属绝缘体转变等等。它们是当今凝聚态物理最受关注的前沿研究领域。这些丰富的物理现象源自于不同有序态或量子涨落的竞争与合作。我们主要选择几个重要过渡金属化合物体系，研究其中的竞争序与多体合作现象，包括超导、电荷密度波、自旋密度波、铁磁与反铁磁序等各种对称破缺，并通过多种手段对它们进行调控，研究它们之间的相互作用和转换。 A 铁基超导体 超导电性是一个对基础学科和高新技术的发展都有重大意义的研究课题，2008年铁基超导体的发现是继铜氧化物高温超导体后超导研究领域最重要的进展。铁基超导体首先由日本科学家发现，但中国科学家反应迅速，后来居上。他们率先开展物性研究工作，并很快将Tc提高到50K以上，从而激发了新一轮的研究热潮。目前的研究表明，铁基超导体是又一类全新的系统，它虽然不是掺杂的Mott绝缘体，但也有较强的电子关联。与铜氧化物高温超导体类似，超导与磁性关系密切。从基础研究的意义看，对铁基超导体的研究有助于认识包含铜氧化物高温超导体在内的超导系统的物理机理，同时对长期以来尚未完全认识清楚的巡游和局域电子反铁磁性问题有所帮助。由于在铜氧化物高温超导体研究中积累的经验与技术，人们对铁基超导体的基础物理研究推进得很快，目前已有较深入的认识。但与铜氧化物高温超导体相比，尚有大量的问题没有开展研究或处在争议之中。 一个研究内容是铁基系统超导样品c方向的电荷动力学。到目前国际上尚没有开展实验研究，而这方面研究对认识层状结构系统基本物理有重要意义。对于铜氧化物高温超导体，人们发现在最佳掺杂以下，c方向的电子输运是非金属性的，正常态具有较低的低频反射率；但一旦进入超导态，立即在很低频率形成非常陡峭的Josephson等离子体边,这是CuO2平面的超流电子通过中间绝缘层Josephson耦合形成的振荡模式。表明铜氧化物高温超导体是电子禁闭在CuO2平面的二维结构。通过此等离子体边，可得到c方向的London 穿透深度等重要超导参量。而对铁基超导体，导电来源于FeAs面的Fe 3d电子，FeAs面看起来也是被完全离子化的碱土离子（如Ba2+,Sr2+，Ca2+等）或R3+O2+（RLa ，Ce，Pr,）等绝缘层隔开，是否存在类似铜氧化物高温超导体的Josephson等离子1体震荡模式是亟待需要研究的问题。 铁基超导体另一个有严重争议的根本性问题是关于其母体磁性的起源。在铁基超导体研究的初期，本课题组与方忠等理论研究工作者合作指认铁基超导体母体具有自旋密度波基态，超导和自旋密度波不稳定性相互竞争，并且通过费米面叠套预言了基态磁格子具有条纹反铁磁有序，并得到中子实验的证实。但很快理论工作者指出基态的磁结构也可从局域自旋（磁矩）的超交换相互作用得到，只要FeFe之间通过As为桥梁发生的次近邻超交换相互作用大于最近邻之间超交换相互作用的一半时，就应该形成条纹状反铁磁序。这样母体的反铁磁自旋结构可由两种完全不同的出发点得到。实际上目前的实验足以判定电子巡游性和局域性同时存在于铁基超导系统，巡游与局域的争议也是过渡金属磁性物理中长期存在的问题。问题的焦点其实是哪种效应对铁基系统中基态长程磁有序的形成扮演了更重要角色。 B3d和4f过渡金属化合物中的电荷密度波与自旋密度波 许多层状过渡金属化合物在低温下会发生电荷或自旋密度波相变。通过不同离子的插层和浓度调控，可实现多种不同的有序态以及它们的竞争。近来一系列新的发现使得它们成为研究不同起源电荷密度波、超导电性、电荷密度波与超导竞争、巡游电子与磁有序相互作用等等量子集体现象的重要体系。本研究中我们将关注两类层状系统，分别是3d电子过渡金属硫族化合物（Chalcogenides）MX2型结构（M为过渡金属离子，X为硫族离子）和4f电子稀土硫族化合物RTe3 （RY, La, Ce, Pr, Nd, Sm, etc）。 对层状过渡金属硫族化合物MX2的ab平面和c方向具有显著的各向异性，是典型的准二维材料。同一组分的材料由于配位情况、堆积方式以及层间关系不同而具有不同的结构。最常见的结构类型是1T型和2H型。在1T结构中，面内具有三角（Trigonal）对称性。而在2H结构中，具有六角（Hexagonal）对称性。 1T型的硫族过渡金属化合物以往只观察到电荷密度波相，2006年美国普林斯顿大学Cava小组发现Cu插层1T-TiSe2后可以迅速压制电荷密度波转变温度，随后出现超导电性。该体系的电子相图与高温超导体的电子态相图很类似，区别在于：高温超导体系统，超导态是从反铁磁Mott绝缘体掺杂而来，超导和反铁磁自旋涨落密切关联；而这里超导态是从电荷密度波态掺杂而来，超导和电荷涨落似乎密切相关。 2H型的二硫属过渡金属化合物既有电荷密度波和超导电性的共存，又表现出它们之间的竞争。这些体系的超导转变温度依照2H-TaSe2、2H-TaS2、2H-NbSe2和2H-NbS2的次序从0.14K增加至7K附近，反映出超导电性与电荷密度波序的竞争。在2H型系统中，虽然广泛相信超导电性起源于电声子相互作用，但对电荷密度波的起源却存在很大争议，问题始终没有解决。 对稀土金属硫族化合物,我们将主要关注RTe3系列结构材料，其中R是La，Y，和其它4f族稀土元素。对于该系列，其结构是由Te层与R/Te键合单元交替堆积而成。例如对于CeTe3，Ce是3价，其贡献的电子完全填满Ce/Te单元Te的p轨道，而Te平面的p轨道是部分填充。金属性的Te平面会发生电荷密度波相变。该相变在室温以上即可发生，伴随发生费米面的重构。而除了电荷密度波以外，CeTe3在3.1 K和1.3 K还会发生两个磁相变。一些研究表明这是又发生了自旋密度波相变。这种发生多重复杂相变的体系应给予更多的关注，并且有可能通过化学组分、插层、磁场和压力等外部条件的改变实现一种量子涨落或有序态态到另一种量子涨落和有序态的调控，值得和进行深入研究。 2、低维和纳米电子系统的量子输运和调控 这一课题将着重研究几个典型的低维材料体系及其器件中的电荷和自旋的量子调控问题。包括的材料有：二维石墨烯，一维石墨烯纳米条、碳纳米管、Bi2Se3和GeSi纳米线，以及零维的Mn12和Ni4分子磁体，等。我们将根据这些材料各自不同的特点，设计制备量子器件，开展量子调控研究。 拟开展的主要研究内容如下： A、基于低维手性电子材料的量子器件和调控 在一些手性碳纳米管、zigzag纳米石墨条、以及自旋轨道强耦合的拓扑绝缘体Bi2Se3等准一维和二维材料中，电子可能表现出一定的、甚至很强的手性特征。由于这些手性特征，理论预言将导致一系列奇异的物理现象，比如Berry phase, 反弱局域化, Klein 隧道, 反常 Andreev 反射, 磁单极，Majorana Fermion等。对于这些可能的现象，需要在特定设计的器件中来进行实验观察和验证。而在器件层面上物理机制的澄清，也为将来利用这些现象开展量子调控打下基础。 B、GeSi纳米线量子点器件中自旋的量子调控 自旋量子调控的另一种、也是通常的思路，是寻找一个自旋轨道耦合非常弱、超精细相互作用非常弱的材料体系来制备自旋量子器件。这方面国际上比较成熟的固态量子调控工作主要是围绕砷化镓二维电子气系统进行的。这一领域基本被两大领先小组美国哈佛大学的Marcus组和荷兰Delft大学的Kouwenhoven和Vandersypen组垄断。但是在砷化镓二维电子气量子点器件中，电子通常只有10ns长的退相干时间，这大大妨碍了这一领域研究工作的进展。最近人们发现基于硅量子点或纳米线的量子器件具有较长的电子自旋弛豫时间，在单电子器件的自旋量子调控方面显现出巨大的潜力。所以，这一研究领域可能面临着重新洗牌的机遇。我们拥有生长GeSi纳米线的技术，准备制备GeSi纳米线的量子点器件，开展对其自旋的量子调控和自旋量子比特的探索。 C、金属基底上外延生长石墨烯的电子结构和输运特性研究 本课题拟将分子束外延技术、扫描隧道显微镜技术，与第一性原理的计算相结合，深入研究金属基底上graphene的外延生长、电子结构和输运特性等；利用graphene和金属单晶表面晶格叠加形成的周期性莫尔图案作为模板，在其上外延生长有机功能分子纳米结构，研究不同的莫尔图案对有机分子组装及电子结构的调控作用；在单分子层次上观测和理解有机分子在graphene上的吸附行为