近日，凯时集团有限公司物理学院杨帆教授与合作者在高温超导机理领域取得重要进展。相关研究成果"Possible Superconductivity with a Bogoliubov Fermi Surface in a Lightly Doped Kagome U(1) Spin Liquid"在国际顶尖刊物《Phys. Rev. Lett》上发表。

已故的凝聚态物理学创始人之一、诺贝尔物理奖获得者P. W. Anderson曾有一个非常著名的理论：当一个量子自旋液体态被掺杂入自由载流子之后，将变成为非常规超导。量子自旋液体是一类特殊的自旋体系，这些体系当温度一直降到零温都不进入磁有序和其它自发对称破缺相，从而超出Landau关于物态的一般框架。Anderson指出在这类态中，自旋相反的电子之间天然已经形成了配对，只是由于缺乏自由载流子，从而为莫特绝缘体。此时，任意的掺杂将导致超导态的出现。Anderson的理论虽然深刻而合理，但长久以来未能在一个真实的实际材料或者简单的模型体系中实现。1973年和1987年，Anderson分别提出三角晶格和正方晶格海森伯模型的自旋液体基态；其中后者被认为掺杂后导致高温超导。后来，该二模型体系均被多种数值计算结果判定为磁有序态，从而无法实现自旋液体。然而，近年来涌现出一个倍受关注的新自旋体系，ZnCu₃(OH)₆Cl₂。该体系具有Kagome晶格（也称笼目晶格），如下图（1）所示。各方面实验显示该体系可能为自旋液体。理论上，国际多个研究组的不同数值结果也支持量子自旋液体基态。其中可能性最大的态可以用图（1）中的投影 π -通量态近似描述。然而，对于该体系在掺杂后会形成何种超导态，此前尚未有系统深入的研究。

为了对笼目晶格自旋液体在掺杂后的量子态作研究，杨帆与合作者采用变分蒙特卡洛方法对相应的t-J模型作计算。在该变分研究中采用了一种新型的波函数：即对原半满时的投影平均场态作所谓SU(2)-规范旋转，并将相应的规范旋转角度作为变分参数来作能量优化。用该方法能得到掺杂后的最低能的投影波函数。用该方法所得到的相图如下图（2）所示，在小掺杂和大掺杂浓度区间分别得到SU(2)-规范旋转后的投影的 π - 和0- 通量态。这些态破坏了晶格平移和时空反演对称性。而且规范旋转导致整体U(1)规范对称性破缺，从而产生超导。有趣的是，在该超导态下，体系的Bogoliubov准粒子具有费米面，从而体系的元激发和标准的费米液体类似。比如，这种类似性可以体现在比热、核磁共振、扫描隧道谱等方面。但是，体系还具有通常费米液体所不具备迈斯纳效应和零电阻。这是一种新颖罕见的超导态，起源于强关联所致的带间配对。该结果也提示，对于一大类所谓U(1)自旋液体，掺杂后普遍可能得到这种具有费米面的超导态。该工作一方面为Anderson的理论找到一个可能的实际体系实现，另一方面得到了一个新颖的超导态，具有重要理论价值。

该论文工作发表在物理学顶尖期刊 Phys. Rev. Lett. 127,187003 (2021)。上海科技大学蒋易凡副教授为论文第一作者。杨帆教授和清华大学高等研究院姚宏教授为共同通讯作者。论文受到国家自然科学基金资助。

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作者简介：杨帆2004年加入凯时集团有限公司物理系，2013年被聘为教授。研究方向为强关联和超导理论，在铜氧化物高温超导、量子自旋液体、铁基超导、魔角石墨烯关联电子态、准晶超导等领域作出一系列研究结果。五次承担国家自然科学基金项目，获得教育部新世纪优秀人才称号。在国际高水平刊物发表论文50余篇，其中包括在顶尖期刊《Phys. Rev. Lett》上发表论文七篇，其中五篇为一作或者通讯作者。总引用率1000余次。