新型量子功能体系的物性表征及其材料探索

1、项目名称：新型量子功能体系的物性表征及其材料探索首席科学家：丁洪 中国科学院物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容本项目将着重于新型量子功能材料的物性表征和新型量子功能材料的探索。主要研究方向为关联系统中的高温超导体、庞磁阻材料、石墨烯和拓扑绝缘体等材料中的电荷、轨道、自旋等自由度相互竞争、相互耦合，以及因此产生的多个量子态竞争和共存、自旋量子霍尔效应等现象。探索新型量子功能材料、发现新的量子态；对新型量子材料的物理基本性质进行研究、输运性质进行高精度测量、结合理论研究理解关联体系的物理机制；利用各种实验手段测量石墨烯和拓扑绝缘体的物理性质，研究因维

2、数效应产生的新奇物理现象。按照项目的不同侧重点和研究手段的不同，将项目按照材料探索、物性研究、输运性质的高精度测量和低维体系四个方面展开研究：、新型超导材料和量子态的探索： 本课题的首要目标是探索新的高温超导材料，同时发展晶格结构和电子结构分析技术，以及超高压测量技术，分析自旋、电荷、轨道等有序现象，努力发现新的量子现象。研究内容互相补充，细分为以下几个方向：（1）新材料的探索与合成及单晶生长：探索新超导材料，主要从事铁基超导材料以及类似的层状、多层含有类似Fe-As面的多元化合物的探索，以及包含稀土和过渡元素的其他层状多元化合物中的新材料探索；总结样品合成和成相规律，发展新方法、新工艺，寻找

3、新现象、新效应；另外将生长高质量单晶样品以用于深入的物理研究。（2）晶体结构表征与研究：对发现的新材料进行晶格结构、化学成分的表征，从而促进材料的探索；研究新的结构现象，深入分析新型超导体的微结构物理性能之间的关联，研究化学成键、电子能带结构，研究高/低温结构相变等，研究晶格中缺陷、畸变对超导的影响。（3）超高压下的量子效应研究：研发一套超高压低温测量系统（100GPa，1.5K），在此基础上研究超高压下铁基材料以及其他新材料中可能出现的新奇量子现象、超高压对超导转变的影响、高压高场下材料的物性和相图，探索高压下可能出现的新量子态和新奇量子现象。（4）中子散射研究：研究铜氧化物和铁基高温超导材

4、料以及其他新材料的晶格精细结构，电子自旋、电荷、轨道有序结构，研究超导材料及其母体中的自旋激发、自旋涨落的形成、演变及其和超导的关系，研究材料中形成的新的量子态和量子现象。、关联体系量子功能材料的物性研究：利用谱学的方法研究新型量子功能材料的电子结构，主要包括ARPES，STM和自旋极化的STM（SP-STM），以及红外光谱的方法研究关联系统（以高温超导体和庞磁阻材料为主）的电子结构，争取在高温超导和庞磁阻材料的机理研究中有重大突破。具体到各种谱学实验方法和强关联体系中的问题，细分为：(1)以高精度角分辨光电子能谱为手段，深入研究以高温超导体（包括铜氧超导体和铁基超导体）为主的多种新奇超导体材

5、料。本项目将结合我们在高温超导材料和角分辨光电子能谱上的优势，对高温超导体进行深入系统的研究，重点研究超导态对称性、赝能隙、电子与其它集体激发模式耦合等现象。(2)锰氧化物体系，特别是三维钙钛矿结构锰氧化物薄膜的电子结构，我们将在不同晶格参数的衬底上生长具有不同组分和厚度的高品质外延锰氧化物薄膜，用ARPES原位测量体系的电子结构。总结锰氧化物体系电子结构随组分、应力和温度的变化规律，研究电子电子及电子波色子相互作用对电子行为的影响，揭示电子结构和宏观物理特性之间的联系。从电子结构的角度出发试图阐明锰氧化物体系庞磁阻、相分离、电荷轨道有序等异常物理性质的内在机理。(3)利用STM特有的原子级空

6、间分辨率，局域态密度能谱，能量分辨谱图，及原子操纵功能。通过高分辨率的空间扫描成像，定位表面相关原子层结构，特别是掺杂原子的位置。研究掺杂原子对表面原子层结构的调制。 通过局域态密度能谱，研究库珀电子对的激发态（超导能隙）与赝能隙（pseudogap）的关系。通过分析能量分辨谱图，研究超导序的二维结构及其演变规律。通过改变温度，调整掺杂浓度，及外加磁场，我们可以直观地观察超导序表面二维结构的变化。(4)发展SP-STM技术研究高温超导材料中电子自旋结构。这个新型的SP-STM将能提供原子级空间分辨率和自旋极化分辨的谱图图像。利用这一工具，我们将着重研究在反铁磁与超导共存的高温超导体中的反铁磁自

7、旋结构，超导磁通蜗旋中反铁磁核心的存在早已由SO(5)理论预测，此结果将验证SO(5)理论预测的结果。另外，我们将利用这一工具研究表面吸附的磁性原子对局域态密度能谱的影响及其与超导电子对的相互作用。(5)建设强磁场下的红外反射谱测量系统，研究磁场下高温铜氧化物超导体和铁基超导体的准粒子激发行为。重点研究铜氧超导体和铁基超导体中电子与集体激发-声子激发/自旋激发模式的耦合问题。我们将用光学响应或光电导谱对材料的电子结构，传导载流子的动力学性质等重要信息进行分析，研究超导配对引起的能隙特征，揭示电子是与何种集体模式存在较强的耦合等基本信息。(6)利用高压多重合成条件获得结构简单和性质独特的高质量的

8、铜基和铁基高温超导体及巡游磁性体系单晶，探寻关联体系金属化过程的量子序及其调控机制。在我们成功的高温高压合成以上具有特点的多晶材料的基础上，进一步优化压力、温度和组分等极端合成条件，研制和研究在结构简单的、高质量的含卤素的Sr2CuO2+Cl2-x高温超导体单晶和可能的巡游型BaRuO3单晶，以及“111”型铁基超导体单晶体；运用多种能谱学、磁性、显微学等物理条件的综合表征体系，研究揭示这些体系的量子有序规律。(7)利用我们发展的新的理论和计算方法，结合实验组的研究进展对多种过渡金属氧化物及其奇异物性进行定量的研究。一方面，为各种实验现象及其物理本质提供理论解释，另一方面，计算模拟并预测一些新

9、型的量子有序现象，包括金属-绝缘体相变，轨道选择性的Mott转变，轨道有序态，Berry相等等。主要研究内容包括自旋与轨道自由度相关的量子现象计算研究； 受限强关联电子系统中的量子现象计算研究。、量子材料输运性质的高精度测量(1)首先我们将致力于自行研制加工一套较完备的电学、热学和磁学测量装置，其中包括热导率、热电势、能斯特效应、微晶比热和微杠杆磁强计等较独特的手段。这些装置将可以工作在低温、高真空、强磁场的极端物理条件下，测量结果的精度具有国际领先水平。将完善一套低温比热测量装置，获得比一般商业手段高出一个量级的测量精度。建造一套转角度的比热测量系统。研究非常规超导体的低能激发和配对对称性。

10、完善小Hall探头系统和磁场极慢扫描的振动样品磁强计，精密测量磁场穿透行为，确定下临界磁场和超流密度随温度的变化关系。 (2)我们将对高温超导体、铁基超导体和钠钴氧体系进行深入的实验研究。这三个体系的共性是由于电子强关联作用，电荷与自旋自由度有分离的倾向，然而相互之间又存在着精微的相互作用，从而导致高温超导、超导与磁性紧邻甚至共存、居里-外斯金属等奇妙的物理现象。如何理解电荷与自旋自由度的关系是强关联物理的核心理论问题之一。我们可以通过选取特定的研究手段而选择性地分别探测电荷与自旋元激发，也可以同时研究二者之间的相互作用。将这些不同的手段结合起来将可以对关联体系中电荷与自旋的行为提供一个较完整

11、的图像。我们关注的主要问题包括磁性与超导的相互关系、电荷与自旋有序态的形成机制、自旋自由度对电荷输运和熵输运的影响，等等。(3)电荷与自旋的相互作用也是很多功能性关联材料在器件应用方面的物理基础，例如钠钴氧体系中自旋熵对热电效应的贡献、多铁材料中外加电场对自旋取向的控制、锰氧化物中外加磁场对电阻的巨大影响，等等。在对电荷自旋相互作用基本原理的理解基础上，我们还将探索它们在功能性器件应用方面，特别是超导效应、热电效应、磁阻效应等在能源和信息领域的新思路、新途径。(4)充分利用化学掺杂和结构修饰进行新量子材料体系的探索工作。采用合适的化学合成方法以及良好的合成设备，获得高质量的合乎要求的样品。采用

12、x射线衍射、电子显微镜等常规实验手段对样品进行结构表征。必要时，通过同步辐射、中子衍射等大型研究设施对系统的结构作更细致的测量。对高质量样品进行各种精密的物理性质测量。包括电阻、磁电阻、霍尔效应、热电效应、能斯特效应、磁化强度、比热、热导、光学性质以及核磁共振和穆斯鲍尔谱等。归纳、总结系统的物理规律特性与电子相图。(5)在新型铁基超导体系方面，我们将以元素替代作为主要探针，研究铁基超导体的超导机理。理论上拟以CeFeAsO1-xFx 、CeFeAs1-x PxO等材料为代表，发展从磁性“坏金属”或“近莫特绝缘体”到重费米子液体过渡的理论框架，用平均场等方法、结合数值计算来研究这一理论，并以此来

13、解释铁基超导材料在输运性质、磁学性质等方面表现出来的多样性和复杂性，探索这类体系中可能出现的奇特量子相变和相应的量子临界性。(6)在铜氧化物高温超导方面，结合前述精确实验测量，我们将以掺杂莫特绝缘体模型为出发点，研究赝能隙区可能存在的隐藏的量子序、量子序和超导态的竞争和共存、费米面的重组、以及到费米液体区的量子相变。希望由此理解超导相图中在最佳掺杂区附近可能出现的量子临界点以及相联系的一系列反常输运和磁学性质；在重费米合金方面，我们拟以CeCu2（Si1-xGex）2等材料为代表，具体考察关联杂化项对量子临界点产生的影响，研究由于可能由于压力效应引起的f轨道价态杂变化，以及两个近邻的量子相变，

14、确定相应的电阻标度行为和量子临界性。、低维量子体系和量子态的研究：(1)探索制备高质量的石墨烯单晶的方法，研究生长条件对单层石墨烯结构的影响，探索重复性好、效率高、成本低、易控制的制备技术。表征单层石墨烯长程有序度。 通过变温、低温STM/STS，深入研究石墨烯体系的本征电子结构以及缺陷、掺杂对电子结构的调制。生长高质量拓扑绝缘体单晶，研究它们的基本性质。(2)探索和生长高质量的拓扑绝缘体材料，拓扑绝缘体大部分是合金材料，需要优化目前晶体生长工艺。 争取准备组分分布均匀，形状规整的大尺寸二元固溶体多晶锭料。(3)利用STM和扫描隧道谱(STS)表征，研究膜石墨烯的几何结构和本征电子结构。测量石

15、墨烯膜的扶手椅型边缘和锯齿型边缘的局域电、磁性质。将充分发挥变温STM的优势，研究单个分子以及多个分子在石墨烯表面可能的奇异动力学行为或几何结构，物化特征。(4)利用STM研究在拓扑绝缘体的金属表面态；通过表面沉积非磁性杂质研究狄拉克费米子和杂质的相互作用，无磁性中性杂质对于拓扑绝缘体表面狄拉克费米子的散射，为输运性质的研究提供基础,检验和理解前人有效理论预言的拓扑磁电效应。 利用自旋分辨的STM技术，观察杂质在实空间诱导的自旋texture。在表面沉积磁性杂质，研究体内磁性杂质所造成的时间反演破缺对于边界态的影响。 尤其在带有内部自由度的杂质的研究中，着重研究在拓扑绝缘体背景下两个杂质的内部

16、自由度相互间的量子关联， 这对于量子信息处理将可能有重要的潜在价值。(5)利用角分辨光电子谱测量石墨烯的电子结构，包括石墨烯的色散关系，电子-声子相互作用，电子-激子相互作用，能隙的大小等，以及这些参数随石墨烯层数、石墨烯与衬底相互作用导致的电子结构的变化。利用ARPES研究拓扑绝缘体的表面态，确定能级色散关系，狄拉克点的数目，判定系统是否是强的拓扑绝缘体。利用自旋分辨的ARPES和不同偏振模式的光源分辨电子不同自旋分支的色散关系，测量电子自旋的极化特性。(6)利用核磁共振技术(NMR)研究研究三维拓扑绝缘体的磁性质，从磁性质上找到拓扑绝缘相变的证据。使用高压和掺杂技术调节三维拓扑绝缘体量子相

17、变，进一步研究其在量子相变点的特性。 改进NMR系统，提高核磁共振的灵敏性,从而可以对拓扑绝缘体的表面态进行研究。 研究表面的磁激发谱及其金属态的特性，从而得到表面态在微波波段的磁性质，并进一步与块材绝缘态的性质进行对比。(7)利用第一原理计算方法（GW）、考虑电子在石墨烯的自能相互作用和电子-空穴相互作用（GW-BSE 方法），解决在外加电场下双层石墨烯的电子结构，双层石墨烯的光学性质对外加电场的依赖关系。 以更加直观的物理语言澄清低能有效理论所包含的物理实质。 (8)理论研究拓扑绝缘体体内掺杂后的物理性质以及表面态物理性质。 着重研究体系的输运和光学性质，探讨自旋轨道耦合以及拓扑效应在其中

18、扮演的角色。理论研究表明拓扑绝缘体的体内和边界上支持分数化激发的存在，我们拟从理论上进一步解释在扑绝缘体上出现分数化激发的惊奇现象。 研究拓扑绝缘体内部以及边界上的量子关联和量子纠缠， 理解和直观地刻画这种量子关联对于拓扑序的研究以及应用。二、预期目标、总体目标当今出现的新型量子功能材料，主要以强关联材料（铜氧高温超导体和铁基高温超导体，卤素化物超导体，庞磁阻材料等）和新型的低维量子功能材料（石墨烯，拓扑绝缘体等）为主。我们充分利用我国在强关联材料探索和高质量晶体生长所具有的国际优势，利用多种样品生长方式，包括常规和极端条件下的合成探索新型量子功能材料；结合多种探测手段，如高分辨率角分辨光电子

19、谱、隧道扫描显微镜、自旋极化STM、电子能量损失谱，扫描电子显微镜，电学磁学热学性质测量平台、中子散射、核磁共振等，探索强关联系统的量子序和量子相变、赝能隙起源、低维物理现象、拓扑绝缘体表面以及拓扑激发等核心物理问题; 结合理论计算、理论分析和理论预测，发展关联系统新理论和低维物理现象的新理论。通过对量子功能材料的物性研究，为寻找新的量子器件提供物理基础。本着实验和理论相结合的原则，凝聚国内凝聚态物理领域有代表性的研究队伍，并积极开展与国际高水平实验室之间的合作，最大效率的利用现有的资源，凝聚队伍，合作攻关，重点突破，做出重要的原始创新性的成果，取得有国际影响的重大突破，提升我国在量子功能材料

20、领域的影响力和尖端科研设备的建设和自主开发的能力，为我国凝聚态物理和材料科学的发展提供前瞻性的科学储备。同时，希望通过本项目的研究，培养、锻炼一批具有国际水准的学术人才，建设在相应研究领域具有国际影响的研究基地。、五年具体目标发展和优化量子功能材料生长工艺,提高样品晶体的质量，为实验提供可靠的样品；在此基础上探索新的生长工艺，利用各种晶体生长的新方法，包括各种极端条件下对材料合成手段，进行新型超导材料和其他功能材料的探索。通过材料设计、理论计算与分析，寻找可能的功能材料，对发现的新量子态以及测量中观察到的其他新奇量子现象给予理论的解释。 利用多种实验手段，揭示在新型量子功能材料，包括关联体系中

21、的各种物理现象的相互制约关系。揭示在铜氧超导体和铁基超导体中能带，能隙，能隙对称性，准粒子激发，等各个物理量的相同和不同点，寻找高温超导体的物理机制。结合理论研究，建立关联体系的物理图像。制备高质量的石墨烯和拓扑绝缘体单晶，研究狄拉克费米子的基本物理性质，揭示二维体系中狄拉克费米子与其它系统激发的相互作用。通过操控石墨烯和拓扑绝缘体表面上的磁性、非磁性杂质，研究二维体系与杂质的量子相互作用， 研究二维表面上磁性、非磁性分子的量子隧穿和量子相变等新奇物理现象，为新型量子功能材料应用寻找新的物理基础。发展适用于过渡金属氧化物等材料，能有效考虑较强的库仑关联及电荷、自旋、轨道自由度的计算方法，并开发

22、具有自主知识产权的相应软件。利用自己发展的新的方法，结合实验研究进展对多种关联体系及其奇异物性进行定量的研究,并构建微观模型和进行唯像分析,阐明相关量子现象出现的机理，预测不同物理参数或外部环境下相关材料可能出现的其它量子现象，并确定复杂的物理相图。构造量子自旋霍尔效应体系完整的低能有效理论，澄清低能有效理论所包含的物理实质，研究拓扑绝缘体上的分数化激发。自行搭建精密的物性测量平台，如角分辨光电子谱、隧道扫描显微镜、电学磁学热学性质测量平台，增强对关联量子态进行微观调控的能力，增强对关联量子态进行微观调控的能力。 将已有有室温、变温以及低温STM装置，和配备了低能电子衍射-有机分子束外延(OM

23、BE-LEED)制备系统等装置联合成制备表征物性测量于一身的超级联合系统，进行表面物理，低维量子现象的研究。五年内平均每年发表论文40篇以上，其中至少有15篇文章发表在影响因子为3或以上的杂志上；做出两到三项具有重大国际影响的工作。每年培养优秀博士研究生和博士后10名以上。三、研究方案、学术思想和技术路线本项目的重点是研究新型量子功能材料，主要以关联材料，如铜氧高温超导体和铁基高温超导体、卤素化物超导体、庞磁阻材料等关联体系材料，和新型的低维量子功能材料如石墨烯、拓扑绝缘体等为研究对象。充分利用我国在关联体系材料探索和高质量晶体生长的优势，利用多种样品生长方式（包括常规和极端条件下的合成方式）

24、探索新型量子材料。同时利用多种凝聚态物性实验手段，（如高分辨率角分辨光电子谱、隧道扫描显微镜(STM)、自旋极化STM、电子能量损失谱，扫描电子显微镜(SEM,TEM)，电学磁学热学性质测量平台、红外反射谱测量系统、中子散射、核磁共振等），研究关联系统材料和低维量子系统。着重研究其中的量子序、量子相变、赝能隙，和低维物理现象，如拓扑绝缘体表面以及拓扑激发等核心物理问题。结合理论计算、理论分析和理论预测，发展关联系统新理论和低维物理现象的新理论。按照研究的侧重点不同，我们将项目分为新型功能材料的探索、凝聚态的物性测量、输运性质的高精度测量和低维体系的研究四个方面进行。在新型量子功能材料的研究中，

25、其晶体质量决定了数据的可信度，并进一步影响到对实验结果的解释和对物理过程的理解。因此首先通过优化目前晶体生长工艺，制备高质量样品单晶和多晶；同时进行新型功能材料的探索和其基本物理性质测量。通过优化目前晶体生长工艺，生长高质量的高温超导体、卤化物超导体、庞磁阻材料和拓扑绝缘体材料的单晶和多晶；制备高质量庞磁阻材料薄膜和大尺寸、高质量、特定层数的石墨烯单晶。在新型量子功能材料的材料探索研究过程中以发现新材料、新现象、新效应为主要方向。利用现代精密测量、分析手段对所发现的新材料、新现象、新效应进行研究，探索导致这些新现象和新效应的内在物理机理。新型量子功能材料的探索按“材料设计 -> 材料探索

26、 -> 结构表征 -> 物性测量、新现象发现 -> 理论分析 ”的思路进行。首先根据现有工作基础和已发现的一些实验规律寻找合适的化学结构，然后开展新材料探索合成，利用多种结构分析手段，如电子显微镜、电子能量损失谱、XRD、中子散射、电阻、磁化率、比热、霍尔效应、高压下的输运测量等，确定新材料的结构、电荷和磁学性质，对其结构物性进行表征，结合实验数据对研究结果进行理论分析，获得新现象、新效应背后的普遍规律和物理机理。在输运性质的测量中，为了达到高精度的测量，在利用商业研究平台的同时，我们自行搭建精密的电学、磁学、热学性质测量平台，完善多种特色精密测量手段，实现对微小信号的高精度

27、测量。 并利新平台其对关联电子体系材料和新型的低维量子功能材料的电荷与自旋自由度的相互作用机制进行研究。同时致力于增强对关联量子态进行微观调控的能力，为其在功能性器件方面的应用提供有益的线索。以高精度角分辨光电子能谱为手段，深入研究以高温超导体（包括铜氧超导体和铁基超导体）为主的多种新奇超导体材料。结合我们在高温超导材料和角分辨光电子能谱的优势，并利用多种谱学研究手段对高温超导体进行深入系统的研究。重点研究铁基超导体的超导态对称性、正常态赝能隙、带间相互作用、电子与其它集体激发模式耦合等物理因素。低维体系中主要研究石墨烯和拓扑绝缘体，通过制备高质量的石墨烯单晶，利用各种表面探测手段，表征单层石

28、墨烯长程有序度。通过STM/STS谱学手段，研究膜石墨烯的几何结构和本征电子结构，测量石墨烯膜的扶手椅型边缘和锯齿型边缘的局域电、磁性质，以及缺陷、掺杂对电子结构的调制。利用角分辨光电子谱测量石墨烯的电子结构，以及在表面引入其它金属原子而导致的电子结构的变化，为理论计算提供直接的依据。研究拓扑绝缘体的表面态，确定能级色散关系，狄拉克点的数目，从而判定系统是否强的拓扑绝缘体。 利用自旋分辨的ARPES和不同偏振模式的光源分辨电子不同自旋分支的色散关系，测量电子自旋的极化特性，研究在拓扑绝缘体表面上的奇特金属态。通过在表面沉积非磁性杂质后的ARPES谱和STM谱研究狄拉克费米子和杂质的相互作用。利

29、用核磁共振技术(NMR)研究研究三维拓扑绝缘体的磁性质，包括奈特位移和自旋-晶格弛豫率等，从磁性质上找到拓扑绝缘相变的证据。在结合实验研究结果基础上，发展适用于关联体系、低维量子体系的理论方法和计算模拟方法。此方法充分考虑到库仑关联及电荷、自旋、轨道自由度等多方面因素，结合实验组的研究进展对多种过渡金属氧化物及其奇异物性进行定量的研究，并开发具有自主知识产权的相应软件。仔细分析试验数据结果，从微观量子多体模型的基础上提供包括铜氧化合物高温超导材料、重费米子合金材料、铁基超导材料等在内的量子强关联材料所呈现的各种反常输运性质和磁学性质的物理解释。针对低维体系中的量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体的基础

30、理论问题进行探索。在拓扑绝缘体基础理论研究方面，构造自旋量子霍尔效应体系完整的低能有效理论，系统而全面地总结物质在外界扰动下的的物理响应；研究拓扑绝缘体上的分数化激发和绝缘体内部以及边界上的量子关联和量子纠缠，努力完成对强关联电子体系中拓扑绝缘体的理论刻画。按照新材料、输运性质测量、物性研究和理论计算分工，整个项目主要包含以下几个主要实验手段：样品制备：关联体系的单晶和多晶样品制备手段传统的有石英管真空封装方法、助熔剂法、布里奇曼法、光学浮区法等方法和结合高温、高压的极端条件合成方式。通过控制化学配比条件，维持必要的液固平衡等条件的探索，准备组分均匀，形状规整的大尺寸二元固溶体多晶锭料。并通过

31、分析材料的结构、化学和物理特征及成相规律，探索新的工艺方法，努力减少生长过程中产生的不均匀性，制备均匀性好，质量高的单晶样品。薄膜样品制备可利用超高真空-有机分子束外延-低能电子衍射-扫描隧道显微镜联合系统制备。如通过在若干种固体表面热解含碳化合物，精确到亚单层的沉积速率，得到高质量的石墨烯单晶，并利用LEED检测样品的长程有序度和STM研究产物的精细几何结构。搭建脉冲激光分子束外延成膜系统，在不同晶格参数的衬底上生长具有不同组分和厚度的高品质外延锰氧化物薄膜，获得原子级平整的单晶表面，用ARPES原位测量体系的电子结构。结构表征和高精度测量: 利用常规X射线衍射，电子显微学技术，同步辐射光源

32、、中子散射等大科学装置确定新型关联体系材料的晶体结构及磁结构；结合电子衍射、会聚束电子衍射和高分辨显微学，确定微区晶体结构和缺陷、微观相分离等。对于单层石墨烯长程有序度的表征，我们利用低能电子衍射(LEED)，可以得到样品表面的衍射图案，图案分析可以判断产物的有序度。利用STM和扫描隧道谱(STS)表征，研究膜的几何结构和本征电子结构，对单层精细原子结构和电子结构进行表征。通过LEED和STM来表征石墨烯的几何结构信息，利用STS得到其电子结构信息。通过变温、低温STM/STS，深入研究石墨烯体系的本征电子结构以及缺陷、掺杂对电子结构的调制。物性研究：利用STM研究新型铜氧高温超导体和铁基高温

33、超导体，通过高分辨率的空间扫描成像，定位表面相关原子层结构，特别是掺杂原子的位置，研究掺杂原子对表面原子层结构的调制。通过局域态密度能谱，研究库珀电子对的激发态与赝能隙的关系，结合其它实验手段获得的数据，建立赝能隙的基本物理图像。分析能量分辨谱图，研究超导序的二维结构及其演变规律。 发展SP-STM技术研究高温超导材料在反铁磁与超导共存区的反铁磁自旋结构，表面吸附的磁性原子对局域态密度能谱的影响，及其与超导电子对的相互作用。 研究石墨烯膜的几何结构和本征电子结构。 通过STM/STS，深入研究石墨烯体系的本征电子结构以及缺陷、掺杂对电子结构的调制。利用SP-STM研究拓扑绝缘体表面引入磁性和非

34、磁性杂质后的自旋texture。以高精度角分辨光电子谱(ARPES)为手段，深入研究以高温超导体为主的多种新奇超导体材料。重点研究超导态对称性、正常态赝能隙、带间相互作用、电子与其它集体激发模式耦合，争取在超导机理这个世界性难题上取得重大突破。利用高精度角分辨光电子谱研究石墨烯的电子结构以随石墨烯层数的变化，以及在表面引入其它金属原子而导致的能带结构等。利用ARPES研究拓扑绝缘体的表面态，确定能级色散关系，狄拉克点的数目，判定系统是否强的拓扑绝缘体。 利用自选分辨的ARPES和不同偏振模式的光源分辨电子不同自旋分支的色散关系，测量电子自旋的极化特性。自行搭建精密的电学磁学热学性质测量平台，设

35、计加工各种电、磁、热实验所需的特殊探头和探杆，完善低温比热和小Hall探头测量系统和各种电、磁、热实验测量手段，使其可以工作于低温、高真空和强磁场的极端条件下。对已有超导材料体系，如铜氧高温超导体和铁基超导体中低能激发的角度依赖特性进行研究。利用强磁场下的红外反射谱测量系统，研究磁场下超导体的准粒子激发行为，如铁基超导体中电子与集体激发-声子激发/自旋激发模式的耦合问题、高温超导体中的电子配对、能隙、模式耦合等物理问题。 研发集超高压（100 GPa）、强磁场（10 T）、低温（1.5）等综合极端条件为一体的国际先进物性测量系统，应用该系统研究极端条件下新型超导材料的物性及其量子态。研究压力和

36、磁场对新型超导体超导转变和量子态的影响；应用超高压原位霍尔测量技术研究正常态向超导态转变的载流子密度和霍尔迁移率随压力的变化。使用高压和掺杂技术，从而产生可能的拓扑绝缘体量子相变，利用核磁共振技术研究三维拓扑绝缘体的磁性质，从而从磁性质上找到拓扑绝缘相变的证据，并对磁性质进行标度。进一步研究其在量子相变点的特性，使用ESR泵浦的核磁共振技术，研究样品表面的磁激发谱及其金属态的特性。结合高压ESR和NMR技术，我们可以研究样品表面金属态的演变，并可能揭示一些新的现象。理论预测：把动力学平均场理论和密度泛函方法结合起来，考虑自旋和轨道自由度，发展一个完整的、能有效处理电荷、自旋、轨道和晶格自由度耦

37、合与竞争的第一性原理计算方法。紧密关注和深入研究相关实验引进衍生出的各种材料和奇异特性，对实际的材料系统进行无人为参数的第一性原理计算，并构建微观模型和进行唯像分析。在此基础上，阐明相关量子现象出现的机理，预测不同物理参数或外部环境下相关材料可能出现的其它量子现象，并确定复杂的物理相图。对不同实验手段在不同体系中获得的丰富实验结果进行深入而系统的理论分析，争取发现强关联体系中电荷和自旋行为的一些普适规律。在总结规律的基础上有针对性地设计新的实验方法，将基础研究探索推动到新的深度。在此基础上，对某些系统的功能特性作进一步的优化。力争获得具有应用前景的新型量子功能材料。我们计划在实空间中对量子自旋

38、霍尔体系的自旋响应和其它物理效应做出直观说明。以前建立的自旋量子霍尔效应体系的有效理论是借鉴四维量子霍尔效应体系的有效理论并在此基础上进行维度约化得到的。该理论不能完整地反映图谱绝缘体体系的低能响应，尤其是自旋响应。我们计划对于这些分数化激发的结构加以细致的解析和数值研究。计划研究拓扑序与无能隙边界态存在的一般关系，在此基础上我们将研究具有拓扑有序的自旋液体基态的边界态。我们将在开放边界条件下计算具有拓扑有序的不同自旋液体基态边界上的自旋关联，以发现其普适规律以及其与自旋液体有效理论的联系。2、可行性分析:综合分析当前国际凝聚态物理研究的前沿动态，根据我国对面向未来的能源、电子、息技术对新材料

39、的强烈需求，结合我国在相应领域的优势和以往的研究积累，本项目选取量子功能材料的探索、表征、输运性质的高精度测量、物性研究为主攻方向，以最有可能取得突破的以高温超导体为重点之一的关联体系材料和低维量子材料为主要研究对象，开展系统深入的理论和实验研究工作，以探索新型量子功能材料，发现新量子现象，以及对其物性的机理理解，以阐明量子序调控所涉及的一系列重大科学问题，发展与完善相关理论，并为相关材料、技术的开发提供科学支撑，具有明确的研究目标和先进的、切实可行的实施方案。在结构组成上，本项目本着强强联合和优势互补的原则组织课题组，每个课题组都由正活跃在相关前沿领域的、经验丰富的专家与学者组成。本项目的成

40、员包括物理、材料等不同学科的学术带头人，包括理论、实验以及专业技术支撑人员。本项目还体现了老中青相结合、以中青年为骨干，学科融合和互助的团队特色；也代表了我国在相关前沿领域的最高研究水平，并在国际上具有一定的影响和建立了广泛的学术交流与合作基础。四、年度计划2010.12010.12： 各个课题组展对整个研究计划的调研和准备工作，为计划的最后成功下坚实的基础。在实验方面，各个小组制备将要研究的材料体系，项目需要购买的设备和仪器开始订购，加工和安装调试，仪器尽快进入工作状态。以物性和电子结构研究为主的小组在实验室完善晶体的生长，如已知的高温超导材料、 CMR材料、石墨烯单晶和拓扑绝缘体晶体，确保各自小组项目的顺利实施。在理论研究方面除继续已开展的模型研究，将对整个研究计划进行调研和准备工作，深入了解项目的有关最新实验计划和进展，开展与实验相结合的研究课题。2011.12011.12：仪器设备：进一步完善各个小组购买，定制和加