三维阻挫体系In3Cu2VO9的量子无序磁性与超导电性

摘要

三维的六角晶格层状化合物In3Cu2VO9作为强关联的阻挫体系，展现出一系列不同于反铁磁的新型低温量子无序磁性质。它和铜氧化物高温超导体的电子态和电子结构十分类似，掺杂后很可能呈现出超导特性。本文章先利用Schwinger-Boson平均场方法研究三维层间阻挫的六角格子在J1-J2-Jc Heisenberg模型下的基态和有限温度磁性质，重点讨论In3Cu2VO9的低能物理过程。随后我们利用平均场和强关联Slave-Boson方法来分别描述三维In3Cu2VO9在修正的t-J1-J2-Jc模型下的基态和有限温度超导性质，并分析其超导对称性。通过分析研究结果，我们发现末掺杂体系的磁基态可能是一种特殊的自旋无序相，而在此基础上掺杂得到的超导基态具有dx2-y2+ idxy的配对对称性。进一步探究其量子磁性与超导的竞争与共存关系，可以令我们更好地理解高温超导的机理。
　　第一章前言简要介绍了物质磁性的起源及研究发展历程，固体材料主要的几种磁结构以及相关的海森堡交换作用模型。随后简单介绍了常规超导电性的实验和理论发展，以及高温超导体的发现及其独特的性质，存在的难题和解决方法。然后介绍了备受瞩目的自旋液体相。最后，简要描述层状材料In3Cu2VO9的反常磁性和超导电性的实验和理论研究现状，提出研究问题，研究方法和研究意义。
　　第二章主要研究三维强关联体系In3Cu2VO9的反常量子磁性。我们在层间阻挫的J1-J2-Jc海森堡模型下利用Schwinger-Boson平均场方法来描述这个六角晶格体系的哈密顿量，进而得到自洽的方程组。解此方程就能得到体系磁基态的能量色散关系，层间序参量Q3随J2和Jc的变化相图，以及各子晶格间的自旋关联函数，还有体系有限温度下的序参量、比热容和静态磁化率。我们发现把层间耦合Jc从0增大到3.6 meV，层间阻挫体系可能由AFM相转变为一种层间无序、层内反铁磁的磁无序相。这种无序相不仅可以解释In3Cu2VO9的平面内相变温度TN=38 K，还可以描述其比热和磁化率在中间温度的定性行为。
　　第三章的重点放在了三维In3Cu2VO9体系的超导电性研究。我们在推广的t-J1-J2-Jc模型下分别利用传统平均场和强关联Slave-Boson方法描述体系的哈密顿量，再求解自洽方程获得体系的基态和有限温度超导物理性质。通过平均场得到的掺杂超导相图我们发现体系在最佳空穴掺杂x=0.03处出现最高超导转变温度Tc=4K，在x=0.06处超导相消失。而通过Slave-Boson方法，我们可知掺杂In3Cu2VO9的超导基态在以从1.2增加到5.2 meV的范围内都近似满足dx2-y2+ idxy的配对对称性。我们的理论结果都说明实际掺杂的In3Cu2VO9很可能是一个超导六角晶格体系。
　　论文的最后，我们总结了我们的研究结果，并指出了可能的进一步研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 物质磁性的基础知识

1．1．1 物质磁性的发展历程

1．1．2 磁性材料的分类及磁性原理

1．2 超导电性的基础知识

1．2．1 超导电性的发展历程

1．2．2 铜氧化物高温超导体

1．3 自旋液体态

1．4 层状材料In3Cu2VO9的研究现状

1．4．1 In3Cu2VO9材料磁性的理论和实验研究

1．4．2 In3Cu2VO9材料超导的研究现状

第二章 三维阻挫体系In3Cu2VO9的反常量子磁性

2．1 Schwinger玻色子平均场理论及相关模型

2．1．1 三维Neel反铁磁海森堡模型

2．1．2 BEC凝聚发生时能量最低点的色散关系

2．1．3 自旋间的关联函数及其意义

2．1．4 磁矩和磁化率的推导

2．2 三维In3Cu2VO9的基态磁性质

2．2．1 基态色散关系

2．2．2 基态磁相图

2．2．3 基态自旋间的关联函数

2．3 三维In3Cu2VO9的有限温度磁性质

2．3．1 序参量和拉氏乘子随温度的变化

2．3．2 体系比热容随温度的变化

2．3．3 体系静态磁化率随温度的变化

2．4 小结

第三章 三维阻挫体系In3Cu2VO9的超导

3．1 平均场和隶玻色子超导理论及相关模型

3．1．1 超导平均场理论和t-J模型

3．1．2 隶玻色子理论方法

3．2 三维体系In3Cu2VO9的超导性质

3．3 小结

第四章 结论总结和研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文