Projekt OPUS
Silne korelacje elektronowe, nadprzewodnictwo niekonwencjonalne
i własności topologiczne wybranych materiałów kwantowych
|
|
Projekt dotyczy własności fizycznych elektronów w silnie skorelowanych materiałach kwantowych, w których wielkość oddziaływania międzycząstkowego przekracza energie pojedynczych nosników. W związku z tym nie są one od siebie niezależne i poruszają się w sposób skorelowany. W takich układach, oddziaływania nie można traktować jako małą poprawkę do swobodnego ruchu pojedynczych cząstek. W związku z tym, aby ilościowo zrozumieć zachowanie mierzalnych wielkości fizycznych (i skonfrontować teorię z danymi doświadczalnymi), należy zaprojektować i wykorzystać zaawansowane metody matematyczne, zwykle wymagające wsparcia superkomputerów o dużej mocy obliczeniowej. Taka symetria jest powodem tego, że progres w tej złożonej problematyce jest systematyczny, ale w dalszym ciągu jest przedmiotem intensywnej dyskusji.
We wspomnianych układach obserwuje się wiele osobliwych zjawisk. Jedną z kategorii są tutaj kwantowe zjawiska krytyczne, które prowadzą do formowania się nowych i nieoczekiwanych kolektywnych stanów materii (obejmujących makroskopową ilość cząstek). Tutaj również można obserwować nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w związkach miedzi, które pojawia się bardzo blisko fazy izolatora (tzw. izolatora Motta). Jest to tylko jeden z wielu niekonwencjonalnych stanów nadprzewodzących/nadciekłych, zaobserwowanych w ciągu ostatnich trzech dekad. Najnowszym odkryciem w tej dziedzinie jest detekcja nadprzewodnictwa w skręconej dwuwarstwie grafenowej (SDG), ściśle dwuwymiarowym materiale, który w piękny sposób uzupełnia dotychczasowy stan wiedzy o nadprzewodnictwie i efektach korelacji w układach kwantowych. Najnowsze badania (również te przeprowadzone w naszym zespole) sugerują, że struktura elektronowa SDG wykazuje pewne uniwersalne topologiczne własności, co oznacza, że opisują nietrywialne topologiczne liczby kwantowe (tzw. liczba Cherna).
Nasz planowany wkład do tej szerokiej dziedziny jest następujący. W pierwszej części projektu, mamy zamiar przedstawić ilościową teorię nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, bazującą na koncepcji tworzenia się lokalnych par Coopera (w przestrzeni rzeczywistej) i otrzymać konkretne rozwiązania dla stanów nadprzewodzących w ramach naszych oryginalnych metod (wariacyjnych i innych), a także opisać współistniejące kolektywne fazy, np. fali gęstości ładunku. Uogólnimy nasze dotychczasowe (jednopasmowe) modelowe rozważania do bardziej realistycznych (wielopasmowych) układów i zastosujemy je do konkretnych materiałów, tzw. układów ciężkofermionowych, a także do SDG. Filozofia naszych badań opiera się na trzymaniu się blisko aktualnych eksperymentów i ciągłej konfrontacji wyników w sposób ilościowy. Jest to szczególnie istotne, ponieważ mimo szerokiej akceptacji modeli opartych o silne korelacje jako właściwe do opisu niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, ilościowa zgodność z eksperymentem (a w wielu przypadkach również jakościowa) nie jest zadowalająca.
W drugiej części projektu planujemy systematycznie połączyć ze sobą efekty korelacji elektronowych z ich indywidualną kwantową dynamiką, żeby uzyskać obraz zrenormalizowanych (efektywnych) kwazicząstek, ubranych w efekty oddziaływań. W ten sposób będziemy w stanie opisać zarówno własności dynamiczne (objawiające się w eksperymentach fotoemisji elektronów i tunelowania), jak i zachowanie kolektywne, znajdujące odzwierciedlenie we własnościach termodynamicznych. Implementacja tego programu jest wymagająca z analitycznego i obliczeniowego punktu widzenia. W związku z tym, najpierw zamierzamy zająć się względnie mało złożonymi materiałami, takimi jak CeCoIn5 lub pojedyncze płaszczyzny nadprzewodników miedziowych. Zaawansowane metody tego typu były proponowane już wcześniej (np. LDA+U, LDA+DMFT) i sprawdzały się dobrze dla wybranych układów. W naszym podejściu chcemy uniknąć pewnych znanych problemów tych ostatnich, takich jak podwójne zliczanie oddziaływań międzycząstkowych. Innymi słowy, przedstawimy podejście opisujące zarówno własności jednocząstkowe, jak i własności kolektywne w jednolitym podejściu do układów skorelowanych. Dotychczas udało nam się uzyskać istotne wyniki dla skorelowanych nanoukładów i dla metalizacji molekularnego wodoru w sytuacji niskowymiarowej (jedno- i dwu-wymiarowej).