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202404
陈辰课题组在声子非谐性的调控机制研究取得新进展
近日,我校物质科学学院陈辰研究员与哈尔滨工业大学(深圳)张倩教授、上海交通大学马杰教授、香港大学陈粤副教授、中国散裂中子源任清勇副研究员等合作,通过使用中子散射技术和理论模拟对Zintl相Sr(Cu, Ag, Zn)Sb热电化合物的晶体结构和晶格动力学进行了研究。Sr2ZnSb2中的晶格空位显著增强了晶格非谐性,导致声子谱的软化,与缺陷散射一起,导致该化合物极低的晶格热导率。空位的存在引起了电荷密度重建,从而破坏了化学键的结合强度。这些微观的见解表明,在热电材料的设计中,可以通过晶格缺陷工程来调整声子非谐性,从而调控晶格热导率。 相关成果以“Vacancies tailoring lattice anharmonicity of Zintl-type thermoelectrics”为题,发表于学术期刊Nature Communications。陈辰研究员为本论文的共同第一作者。 研究背景 晶格缺陷是抑制晶格热导率、优化热电材料性能的一个重要手段,传统的Debye-Callaway模型认为晶格缺陷主要起缺陷-声子散射作用。近年来,在一些新型热电材料中观测到了高浓度的空位缺陷(例如Nb0.8CoSb、Eu2ZnSb2、Sr2ZnSb2等),且这些缺陷呈无序或短程序分布。这些材料具有更低的晶格热导率,但是传统的缺陷-声子散射模型无法给出一个很好的解释。同时,大量空位缺陷和无序分布情况也为理论研究工作带来了很大的挑战。 研究成果 本工作通过对ZrBeSi型Zintl相SrCuSb,SrAgSb和Sr2ZnSb2的对比研究,阐明了空位对这类化合物的晶格热导率的影响。采用中子粉末衍射表征了晶体结构,采用非弹性中子散射技术和分子动力学模拟研究了晶格动力学,采用X射线光电子能谱分析了空位引起的原子成键变化,并进行了相关理论计算。研究发现,Sr2ZnSb2化合物中的大量空位导致晶格的整体软化,与SrCuSb、SrAgSb相比具有更大的声子非谐性。这种变化是由于Sr和[ZnSb]亚晶格之间的离子键减弱导致的。这些研究结果表明,Zintl相化合物中的空位在晶格热导率的抑制中发挥着比传统缺陷散射更复杂的作用。 图1声子的软化和非谐性 论文链接 https://www.nature.com/articles/s41467-024-46895-4
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202403
常建课题组在高电压固态锂电池研究方向取得重要突破
近日,大湾区大学物质科学学院常建副教授与南方科技大学的邓永红教授和徐洪礼副研究员共同合作,提出了一种简单而有效的复合固态电解质设计策略,通过在聚酯基电解质和陶瓷纳米颗粒之间形成多重分子间配位来稳定高电压全固态锂金属电池。将Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLTZO)陶瓷纳米颗粒与聚ε-己内酯(PCL)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)均匀混合,从而获得配位复合固态电解质(PCL-CSE)。通过冷冻电镜的原子水平可视化分析和密度泛函理论(DFT)理论计算研究发现,PCL中的羰基和FSI-阴离子中的磺酸基与LLZTO纳米颗粒存在多重路易斯碱/酸相互作用,在LLTZO纳米颗粒周围形成内部富含阴离子相和外部聚合物相的双鞘层。这种多重配位相互作用不仅能通过屏蔽的羰基位点阻止聚合物电解质的分解,还能通过优先分解阴离子产生稳定的富锂界面。据我们所知,本工作是首次通过冷冻透射电镜观察到复合固态电解质中多个分子间配位相互作用的报道。由于复合固态电解质优异的稳定性和富LiF的界面层的存在,Li||Li对称电池具有超过4800小时的循环寿命,而不会发生短路。此外,以NCM523为正极的高电压固态锂电池在1C充放电倍率下可稳定循环1100次以上。这项工作揭示了高电压固态锂金属电池复合电解质中多分子协同作用和界面稳定性背后的潜在机制。该工作发表在国际权威期刊Advanced Materials上,相关成果得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的资助,广东省电驱动力能源材料重点实验室、广东省普通高校太阳能高效利用与可持续发展重点实验室、东莞市先进材料与大科学装置前沿交叉重点实验室的支持。 研究背景 随着消费电子设备和电动汽车的逐渐普及,对下一代电池提出了高能量密度和安全性的新要求。高电压固态锂电池通过将固态电解质与高容量锂金属负极和高电压正极集成,在提高能量密度和安全性方面显示出巨大潜力。聚合物/陶瓷基复合固体电解质是固态锂金属电池的有前途的候选者,得益于聚合物电解质的机械坚固性和陶瓷电解质的高离子导电性。然而,CSE的界面不稳定性和不清楚的界面形成机制严重阻碍了高压固态锂电池的实际应用。 近年来,各种表征技术被广泛用来解释固态电解质的界面结构和离子传输过程。利用同步辐射实验对固态电解质进行三维重建,结果显示陶瓷纳米颗粒聚集会导致锂离子的不均匀传输和锂枝晶的沉积。最近,固态核磁共振分析也指出,在均匀分散的复合固态电解质中,聚合物和陶瓷电解质相之间的界面分解层是导致离子传输缓慢和锂金属不均匀沉积的主要原因。然而,由于聚合物和界面层对电子束比较敏感,容易被电子束破坏,因此室温下使用透射电子显微镜在纳米尺度直接观察一直受到限制。低剂量辐射的冷冻透射电子显微镜(Cryo-TEM)的出现使其成为可能。超低温度和低电子剂量使得复合固态电解质在分析过程中能够保持样品的原始状态而不被破坏。Cryo-TEM已被用于直接观察含FEC的凝胶聚合物电解质在锂金属表面的分解产物。研究结果表明,在增塑剂的帮助下形成稳定的富含LiF界面,有助于减轻电解质中聚合物相的分解。然而,高电压正极溶解的过渡金属和高反应活性的锂金属仍然催化CSE中聚合物相分解为无定形有机界面层,容易导致锂枝晶生长和快速的容量损失。此外,由于固态电解质材料在高能电子束条件下非常敏感,所以固态电解质和电极之间的界面在原子尺度分析时面临着重大挑战。因此,迫切需要探索一种具有稳定界面的有效CSE,并在原子尺度上可视化高电压固态锂电池中固态电解质界面的形成机制。 研究成果 冷冻电镜研究聚酯电解质与纳米陶瓷之间多重分子间配位作用:在复合固态电解质中,PCL中的羰基和FSI-阴离子中的磺酰基均与Li+和LLZTO纳米颗粒表面存在路易斯碱/酸配位作用(图1)。多重分子间配位提高了聚合物骨架和阴离子的给电子能力,从而提高了复合固态电解质的电化学性能。特别是,FSI-阴离子优先分解,促进了富含LiF的电解质/电极界面层的形成,有助于提高复合固态电解质对锂金属负极和高电压正极的界面稳定性。相比之下,PCL聚合物固态电解质(PCL-PSE)的界面稳定性不足,这是由于未屏蔽的羰基位点具有很强的路易斯酸特性,并且聚合物骨架经过持续的分解在电极表面形成了富含无定形有机物界面层。在配位复合固态电解质中,通过高分辨冷冻STEM和EELS直接观察到LLTZO纳米颗粒内部富含阴离子相和外部聚合物相的双鞘层,进而形成富含LiF/Li2O无机物的SEI和CEI界面,并利用DFT计算证明了上述结论。 图1. 聚酯电解质与纳米陶瓷之间多重分子间配位的原理图及原子分析 NCM正极界面稳定性研究:利用Cryo-HRTEM、EELS以及XPS证实了NCM523(PCL-CSE)的CEI内层含有相当比例的无机成分,主要包括Li2O和LiF。富含无机组分的内层不但增强了CEI的机械性能,促进了Li+的稳定迁移,还能隔绝电子的通过。而CEI的外层主要由有机无定形物质组成。非晶有机外层具有良好的浸润性和固态电解质相容性,因此有效地降低了界面阻力,保证了离子的流畅传导。但是,NCM523(PCL-PSE)的CEI内层和外层都含有有机非晶成分。这种区别说明了PCL-PSE和PCL-CSE20之间不同的化学成分和键合结构,突出了LLZTO纳米颗粒对生成CEI成分的影响。此外,NCM523(PCL-PSE)发生了明显的相变,NCM532(PCL-CSE)表现出完整的层状结构,这归功于独特的双层CEI的保护作用。这种双层CEI有效地保留了NCM523晶格内的氧配位。 图2. 循环后NCM523正极的界面表征 锂金属负极界面稳定性研究:利用超低剂量Cryo-HRTEM对锂金属负极表面的SEI进行观测,进一步研究PCL-CSE对锂金属异常稳定的潜在机制。与PCL-PSE匹配循环的锂金属表面的SEI主要是无定形成分,只有很少的无机颗粒(Li2CO3和Li2O)存在。而PCL-CSE匹配的电池循环后的SEI层中含有大量的无机晶体颗粒,包括大部分Li2O/LiF晶体和小部分Li2CO3晶体,嵌入在非晶相中。无机相的大量存在不但可以阻碍电子隧穿,还能增强SEI的机械强度,有助于抑制锂枝晶生长,改善高电压锂电池的循环性能。 图3. 循环后锂金属负极的界面表征 文献详情 Qingrong Wang, Hongli Xu,* Yanchen Fan, Shang-Sen Chi, Bing Han, Ruohong Ke, Ruo Wang, Jun Wang, Chaoyang Wang, Xiaoxiong Xu, Zijian Zheng, Yonghong Deng,* Jian Chang,* InsightMultiple Intermolecular Coordination of Composite Solid Electrolytes Via Cryo-Electron Microscopy for High-Voltage All-Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Materials, 2024, 2314063. https://doi.org/10.1002/adma.202314063 博士后招聘信息 具备良好的学术道德和职业操守,具有或即将获得化学、材料、能源、电子等相关专业博士学位,在本领域专业期刊上发表过SCI学术论文;聘期综合年薪不低于35万元(含东莞市每年20万元生活补助),按属地缴费比例上限缴纳五险一金,享受带薪年假、节日慰问等福利待遇,出站留莞工作可获得市财政50万元生活补贴;支持申请广东省海外博士后人才项目,省财政提供60万元生活补贴,同时市财政按1∶1给予配套资助,出站留莞工作可获得省财政40万元住房补贴;支持申报东莞市特色人才,享受购房补贴和生活补贴;可依托学校申请科学城内人才公寓,并协助解决子女入园入学。应聘者请将个人简历材料发送至邮箱changj@gbu.edu.cn,本招聘长期有效。
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202403
常建课题组在高电压锂电池液态电解质研究方向取得新进展
近日,大湾区大学常建副教授与南方科技大学的邓永红教授和浙江大学的陆俊教授合作,精巧设计并合成了一种新型两极性氟醚溶剂(OFE)分子,并基于该分子开发了一种分子竞争溶剂化结构电解液(MCE)以稳定锂金属负极和高电压正极,从而获得实用型高能量长循环锂金属电池。首先,简易合成了一款双极性OFE溶剂分子,一端是离子离解极性头,另一端是高度氟化的非极性尾。然后,将其与传统醚、碳酸酯或腈类强配位溶剂复配形成分子竞争溶剂化结构电解液。研究发现,双极性OFE分子可以通过弱离子配位重建传统的溶剂化结构,显著降低了强配位活性溶剂在溶剂化结构中的比例。通过改善锂离子去溶剂化动力学,有效消除了强配位活性溶剂在锂金属负极和高压正极表面的有害分解。该氟化电解液使 1.4 Ah 高电压软包锂电池的堆叠能量密度达到 450 Wh kg-1,并且在 400 个循环周期内具有卓越的运行稳定性(保持率:81%)。该文章发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上,相关成果得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省普通高校太阳能高效利用与可持续发展重点实验室的资助与支持。 研究背景 近年来,人们对高能量密度电池的需求与日俱增,因此锂金属电池(LMB)引起了广泛的研究兴趣。特别是,通过将高容量锂金属负极与高电压正极相匹配,高电压LMB有望达到500 Wh kg-1的高电池能量密度。然而,高电压LMB的实际应用受到几个关键问题的极大限制。一方面,高活性的Li金属倾向于诱导电解液的快速耗尽、随机树枝状沉积和不稳定的固体电解质界面(SEI)。另外一方面,过渡金属氧化物正极(例如,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,NCM811)的催化表面在高电压条件下容易侵蚀电解液溶剂,导致氧化物界面的电解液氧化和不良的正极电解质界面(CEI)。此外,高能量密度LMB的部署迫切要求高质量负载正极、低负正(N/P)比、有限的锂金属过量以及贫电解液的使用。因此,在实际条件下实现高电压LMB的稳定运行是一个巨大的挑战。 在这方面,已经提出了许多稳定高压LMB的策略,包括将锂金属引入多孔宿主、高电压正极包覆、人工界面设计和电解质配方优化。尽管在开发电极和界面方面取得了相当大的进展,但传统电解液(包括碳酸酯、醚和腈)的使用仍然会导致高电压LMB的早期电池故障和短路危险。人们认识到,Li+阳离子与强配位的极性溶剂(如碳酸乙酯(EC)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)和乙腈(ACN))配位,而大多数阴离子和残留溶剂分子被排除在主溶剂化鞘之外,并以自由态存在于常规电解液中。这些位于第一溶剂化鞘中的强配位极性溶剂在重复充电期间易于与电极发生副反应。迄今为止,人们一直致力于通过优化电解液组分(包括盐类、溶剂和添加剂)来减少电解液和电极之间的寄生反应。通常情况下,采用盐浓缩策略可通过将游离溶剂和阴离子限制在主溶剂化鞘中来减少它们的数量。高浓度电解液(HCE)独特的溶剂化结构通过增强Li+/阴离子相互作用和阴离子分解来促进稳定的SEI和CEI的形成。随后,还开发了局部高浓度电解液(LHCEs),通过引入各种惰性助溶剂(也称为稀释剂)来降低电解液的盐含量和粘度。这些惰性稀释剂几乎不与Li+阳离子相互作用,在电极表面表现出更稳定的性质,并且被排除在主要溶剂化鞘之外。LHCE在很大程度上减少了自由活性溶剂的量和界面副反应,而不会破坏其原始的溶剂化结构。此外,几种有用的添加剂也被掺入LHCE中,以通过改变电解质电极反应来改善SEI/CEI的界面传输。然而,在Li+去溶剂化过程中,高反应性的游离溶剂仍然暴露在锂金属负极和高电压正极的表面,导致在长循环操作中电解液的连续消耗和界面结构的破坏。因此,迫切需要进一步降低溶剂化结构中活性溶剂的比例,以便在实际条件下为高能量长循环LMB开发出更稳定的电解液。 研究成果 为构建分子竞争性溶剂化电解液有效消除活性溶剂分子在电极界面处的分解,该溶剂分子的设计要点包括以下几个方面:1)醚氧极性端对锂离子具有弱配位作用,能够参与第一溶剂化壳层的竞争性配位,大幅度减少溶剂化结构中活性溶剂分子占比;2)高含氟烷基链非极性端的引入可以通过降低溶剂分子最高占据分子轨道能级改善其氧化稳定性;3)双极性分子对锂金属负极具有良好的兼容性。基于上述考虑,分子设计了一款1,1,2,2,3,4,4-八氟-5-甲氧基戊烷双极性氟化溶剂分子来构建分子竞争溶剂化结构电解液。 图1. 分子竞争溶剂化结构电解液的设计原理及其基本性质表征 基于分子竞争溶剂化电解液的高电压锂电池电化学性能:利用锂铜半电池进行电化学测试,基于OFE/DME的分子竞争电解液对锂金属的库伦效率高达99.8%,优于对比样电解液。类似地,OFE两极性氟化分子也可以扩展以帮助酯(碳酸二甲酯)和腈(乙腈)溶剂分子对锂金属负极的良好稳定性。基于OFE/DME电解质的高电压扣式锂电池循环300圈容量保持率为94%;1.4Ah级高电压软包锂电池的能量密度高达450Wh kg-1,循环400圈容量保持率81%;2.5Ah级软包锂硫全电池也可以实现稳定循环。这种竞争性配位结构电解液的设计理念,为在实际条件下开发高能量长循环的 LMB 提供了一条前景广阔的道路。 图2. 高电压扣式和软包锂电池的电化学性能 论文链接 Guangzhao Zhang, Jiawei Li, Shang-Sen Chi, Jun Wang, Qingrong Wang, Ruohong Ke, Zhongbo Liu, Hui Wang, Chaoyang Wang, Jian Chang,* Yonghong Deng,*Jun Lu*,Molecular Design of Competitive Solvation Electrolytes for Practical High-EnergyLong-Cycling Lithium-Metal Batteries. Advanced Functional Materials, 2023, 2312413. https://doi.org/10.1002/adfm.202312413 博士后招聘信息 具备良好的学术道德和职业操守,具有或即将获得化学、材料、能源、电子等相关专业博士学位,在本领域专业期刊上发表过SCI学术论文;聘期综合年薪不低于35万元(含东莞市每年20万元生活补助),按属地缴费比例上限缴纳五险一金,享受带薪年假、节日慰问等福利待遇,出站留莞工作可获得市财政50万元生活补贴;支持申请广东省海外博士后人才项目,省财政提供60万元生活补贴,同时市财政按1∶1给予配套资助,出站留莞工作可获得省财政40万元住房补贴;支持申报东莞市特色人才,享受购房补贴和生活补贴;可依托学校申请科学城内人才公寓,并协助解决子女入园入学。应聘者请将个人简历材料发送至邮箱changj@gbu.edu.cn,本招聘长期有效。
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202402
龚寿书课题组在阻挫磁体量子相变研究方向取得新进展
近日,大湾区大学(筹)物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur,博士研究生Yi Xu、Shuyi Li,以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作,通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。研究发现,由于阻挫和高磁场的共同作用,体系出现了新的非BEC普适类相变和玻色量子液体态。该结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。 相关成果以“Field-Induced Non-BEC Transitions in Frustrated Magnets”为题,发表于学术期刊Physical Review Letters。龚寿书得到了国家自然基金委面上项目(No. 11874078)和重点项目(No. 11834014)的资助,也得到了东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的支持。 研究背景 相互作用玻色子体系可以实现很多有趣的物态,如玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),超流,莫特绝缘相等。在合适条件下,由于玻色子相互作用和较大低能态密度的共同作用,玻色子体系还可以形成所谓的玻色金属态。除了玻色子体系,阻挫磁性材料体系也是实现玻色物态的重要平台。一般情况,阻挫磁性体系很难进行近似可控的理论计算,但是在磁场诱导的极化相变附近,量子涨落会被明显抑制。在这种情况下,磁性体系可以表示为稀疏的相互作用玻色气体。近年来,人们已经发现了阻挫磁性体系在外磁场作用下出现的一些新奇玻色物态。另一方面,磁性体系在外磁场作用下从磁有序相到极化相的相变一般是属于BEC普适类的连续相变,在很多磁性材料中都得到了实验证实。一个有趣的问题是:对于这样一个广泛存在的相变,如果考虑体系存在很强的阻挫,会不会得到新的新奇物态和相变行为呢? 研究上述问题最经典的磁性体系是具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型。从反铁磁相出发,竞争相互作用会诱导相变。在经典近似下,体系会经过一个Lifshitz相变进入螺旋磁有序相。在量子模型中,经典体系的Lifshitz相变线附近由于很强的阻挫效应会出现磁无序的自旋液体相和共价键固体相。所以,在Lifshitz相变线上研究高磁场下的物态和相变行为是回答上述问题一个很好的尝试。 研究成果 为了研究这个体系,物质科学学院龚寿书教授与美国Rice大学博士后Shouvik Sur,博士研究生Yi Xu、Shuyi Li,以及Andriy H. Nevidomskyy教授合作,通过近似可控的理论计算和大尺度张量重正化群数值计算研究了有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在极化磁场附近的物理性质。我们发现在Lifshitz点附近,极化磁场附近的物理不同于通常的BEC范式,而是被Lifshitz multicritical point决定,出现新的非BEC普适类相变。同时,由于阻挫和高磁场的共同作用,体系在极化磁场以下可能出现玻色量子液体态。计算表明,该玻色液体态可以看成是S=1自旋链在高磁场中的无能隙相在二维体系中的对应。我们的结果为理解阻挫量子磁性材料在高磁场下的量子液体态行为提供了新的思路。 具有竞争相互作用的自旋1/2正方晶格海森堡模型在半经典近似下的相图。通过调节竞争相互作用和磁场,可以得到一个Lifshitz multicritical point(如图中红点所示)。在有限温度下,multicritical point控制了体系在临界圆锥(橘色圆锥)内的物理行为。  论文链接 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066701
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202402
龚寿书课题组在铜氧化物超导研究方向取得新进展
近日,大湾区大学(筹)物质科学学院龚寿书教授与北京航空航天大学博士研究生卢欣、西湖大学朱伟教授、美国加州州立大学陈峰博士、Donna Sheng教授合作,通过大尺度精确数值计算研究了对应于铜氧化物空穴掺杂的t-J模型。研究发现随着体系尺寸的增大,竞争的电荷密度波会被抑制,而同时出现d波超导准长程序。该结果表明t-J模型可定性解释铜氧化物超导体在空穴掺杂时出现的d波超导相,为后续研究提供了更坚实的基础。 相关成果以“Emergent SuperconductivityCompeting Charge Orders in Hole-Doped Square-Lattice t-J Model”为题,发表于学术期刊Physical Review Letters。龚寿书得到了国家自然基金委面上项目(No. 12274014)和重点项目(No. 11834014)的资助,也得到了东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的支持。 研究背景 自从1986年穆勒和柏诺兹发现铜氧化物高温超导体以来,铜氧化物超导出现的物理机制(即电子配对的机制)一直是凝聚态物理研究的重大科学问题。在传统超导体中,电子和声子的耦合可以实现电子之间的有效吸引相互作用,使费米面附近的电子形成束缚态,即所谓的库伯对。在高温超导体中,电子-声子相互作用的配对机制无法解释相应实验现象,需要人们基于掺杂的莫特绝缘体建立新的电子配对机制。在理论研究中,铜氧化物超导体通常使用Hubbard模型或其有效的t-J模型来描述。人们基于这些模型探索高温超导已有30来年,但是这类模型能否实现d波超导态还没有确定结论。究其原因,一个主要的困难是传统方法研究二维关联电子体系的局限性。 近年来,数值计算在超导理论研究中发挥了越来越重要的作用。通过大量数值研究,人们在简单Hubbard模型和t-J模型中观察到了电荷密度波,但是没有发现超导存在的证据。而后,斯坦福大学姜红臣教授与其合作者通过密度矩阵重整化群计算发现次近邻电子跃迁可以帮助得到准一维超导态,同时具有电荷密度波和超导准长程序。这个结果为寻找二维体系中的d波超导态提供了重要线索。然而,沿着这个思路深入研究存在很大挑战,因为密度矩阵重整化群方法的计算难度随着体系宽度指数增长,对于研究更大尺寸的体系具有很大难度。 在两年前的研究中,我们通过优化计算方法在更大尺寸上研究了对应于铜氧化物电子型掺杂的t-J模型(次近邻电子跃迁t2 > 0),发现随着t2的增大电荷密度波会被抑制而得到稳定的d波超导准长程序 [Phys. Rev. Lett. 127, 097003 (2021)]。特别重要的是,我们发现随着体系宽度的增加,超导准长程序会增强,而电荷密度波序会快速衰减,表明在二维极限下体系很可能形成真正的超导长程序。这为理解铜氧化物电子型掺杂时出现的超导相提供了理论基础。但是,对于更受关注的空穴型掺杂,之前的数值计算大都指向电荷密度波而没有发现超导,这和铜氧化物超导体的实验相图截然不同,对基于t-J模型理解铜氧化物超导提出了很大挑战。 研究成果 为了深入探究这个问题,物质科学学院龚寿书教授与北京航空航天大学博士研究生卢欣、西湖大学朱伟教授、美国加州州立大学陈峰博士、Donna Sheng教授合作,通过大尺度精确数值计算研究了对应于铜氧化物空穴型掺杂的t-J模型(次近邻电子跃迁t2 < 0)。在宽度6的体系上,我们发现虽然在1/8掺杂附近体系确实是电荷密度波,但是在更小掺杂浓度下是存在d波超导准长程序的。针对最受关注的1/8掺杂浓度,我们研究了更大的尺寸体系,发现随着体系尺寸的增大电荷密度波会被抑制,同时超导准长程序会出现。综合这些计算结果,t-J模型可以同时定性解释铜氧化物超导体在电子掺杂和空穴掺杂出现的d波超导相,为后续研究提供了更坚实的基础。 t-J模型在宽度6体系上的相图。在掺杂浓度较小时1/24 - 1/36,体系存在超导准长程序。(b) t-J模型在宽度8,掺杂浓度1/8体系上的相图。在具有一定次近邻电子跃迁项(t2)时,体系都会进入d波超导相。  论文链接 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.066002
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