项目名称 ： 强自旋轨道耦合导致的新奇量子物性及其综合极端条件下的多场调控
项目负责人：徐刚
申报单位： 华中科技大学
项目经费： 447万元
项目简介：
新物态、新材料的探索和应用对科技进步和社会发展具有重要的推动作用。强自旋轨道耦合（SOC）作为一种新的电子关联形式，可以导致许多新奇的物理现象，是一个在基础物理和技术应用两方面均具有重要意义的前沿研究领域，可以满足未来电子器件能耗低、响应快、大范围调控等多方面需求。鉴于其重要的科学意义和应用价值，本项目将结合前期工作积累和自身优势，依托脉冲强磁场科学装置，围绕拓扑半金属、拓扑超导体、伊辛超导体和多极矩材料等具有强SOC的关联电子体系，从材料的理论计算、样品生长、物性表征和强磁场下的综合极端条件多场调控等方面进行深入研究。具体项目目标、研究内容和研究方法概括为：
1．运用第一性原理计算集中研究4d、5d 过渡金属化合物的电子结构和拓扑性质，设计和找到3-4种新的结构稳定、性质优良的拓扑半金属；采用固相反应等方法合成2种以上高质量单晶；通过角分辨光电子能谱系统（ARPES）、扫描电子显微镜（STM）和强磁场下的电磁输运等方法表征其电子结构和物性，检验其拓扑性质；并研究对应薄膜材料中应力、维度、衬底近邻效应等对电子结构和拓扑性质的调制；利用强磁场诱导拓扑相变，寻找新的拓扑量子态。
2. 实验上至少成功制备一种拓扑超导体系。重点关注二维过渡金属硫族化合物和具有反带电子结构的铁基超导体两种方案。研究其电子性质、能带结构、超导能隙的对称性和配对机制，提供马约拉纳零能模的实验证据，揭示构建拓扑超导态的内在机制。探索影响材料超导和拓扑性质的关键性因素，构建超导、拓扑、磁性等不同有序量子态的电子相图。发展一种有效调控拓扑超导物性的实验方法。
3. 研究伊辛超导体的自旋极化、涡旋动力学；确定其上临界磁场以及磁场诱导的BKT相变；完善伊辛超导体的温度-磁场-载流子浓度相图，确定其各个磁场区域的物理特性；通过离子液体手段调制伊辛超导，提高超导转变温度，实现伊辛超导电性的多场调控，丰富其相图并加深对伊辛超导机制的理解。
4. 理论上通过无归相近似（RPA）和朗道-金兹堡方法推导出立方对称性下含晶格跃迁t、强关联效应U和自旋轨道耦合λ的全部36种序参量的微观形式并给出其唯象理论；实验上利用强磁场输运、共振X射线散射（RXS）、二次谐波转换等探测、确认Ru（RuCl3）、Re（Cd2Re2O7）、Os（LiOsO3）、Ir（Y2Ir2O7）等强自旋轨道耦合化合物中的多极矩序参量；确定相变温度和序参量对称性，通过强磁场、光场、高压等多场调控诱导不同序参量之间的量子相变，探索新的量子物态；在项目推进过程中完成搭建国内首套强磁场（60T）、低温（1.5K）和高压（4Gpa）综合极端条件下的输运、磁性测量平台，并日后对外开放运行。
这四个方面都是量子调控领域最前沿的研究方向，彼此关联、互为补充。例如：拓扑半金属通过近邻效应或者载流子掺杂也可能变为拓扑超导体；二维过渡金属硫族化合物既是伊辛超体又是制备界面拓扑超导体系的优质备选材料；多极矩序参量的研究对于调制新的拓扑物态和超导电性也具有重要指引作用。
