(1) 新材料的探索與合成及單晶生長(zhǎng)：探索新超導(dǎo)材料，主要從事鐵基超導(dǎo)材料以及類似的層狀、多層含有類似Fe-As面的多元化合物的探索，以及包含稀土和過(guò)渡元素的其他層狀多元化合物中的新材料探索;總結(jié)樣品合成和成相規(guī)律，發(fā)展新方法、新工藝，尋找新現(xiàn)象、新效應(yīng);另外將生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶樣品以用于深入的物理研究。
(2) 晶體結(jié)構(gòu)表征與研究：對(duì)發(fā)現(xiàn)的新材料進(jìn)行晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的表征，從而促進(jìn)材料的探索;研究新的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，深入分析新型超導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)-物理性能之間的關(guān)聯(lián)，研究化學(xué)成鍵、電子能帶結(jié)構(gòu)，研究高/低溫結(jié)構(gòu)相變等，研究晶格中缺陷、畸變對(duì)超導(dǎo)的影響。
(3) 超高壓下的量子效應(yīng)研究：研發(fā)一套超高壓低溫測(cè)量系統(tǒng)(100GPa，1.5K)，在此基礎(chǔ)上研究超高壓下鐵基材料以及其他新材料中可能出現(xiàn)的新奇量子現(xiàn)象、超高壓對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的影響、高壓高場(chǎng)下材料的物性和相圖，探索高壓下可能出現(xiàn)的新量子態(tài)和新奇量子現(xiàn)象。
(4) 中子散射研究：研究銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)材料以及其他新材料的晶格精細(xì)結(jié)構(gòu)，電子自旋、電荷、軌道有序結(jié)構(gòu)，研究超導(dǎo)材料及其母體中的自旋激發(fā)、自旋漲落的形成、演變及其和超導(dǎo)的關(guān)系，研究材料中形成的新的量子態(tài)和量子現(xiàn)象。
2、關(guān)聯(lián)體系量子功能材料的物性研究：
利用譜學(xué)的方法研究新型量子功能材料的電子結(jié)構(gòu)，主要包括ARPES，STM和自旋極化的STM(SP-STM)，以及紅外光譜的方法研究關(guān)聯(lián)系統(tǒng)(以高溫超導(dǎo)體和龐磁阻材料為主)的電子結(jié)構(gòu)，爭(zhēng)取在高溫超導(dǎo)和龐磁阻材料的機(jī)理研究中有重大突破。具體到各種譜學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中的問(wèn)題，細(xì)分為：
(1) 以高精度角分辨光電子能譜為手段，深入研究以高溫超導(dǎo)體(包括銅氧超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體)為主的多種新奇超導(dǎo)體材料。本項(xiàng)目將結(jié)合我們?cè)诟邷爻瑢?dǎo)材料和角分辨光電子能譜上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)高溫超導(dǎo)體進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)研究超導(dǎo)態(tài)對(duì)稱性、贗能隙、電子與其它集體激發(fā)模式耦合等現(xiàn)象。
(2) 錳氧化物體系，特別是三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物薄膜的電子結(jié)構(gòu)，我們將在不同晶格參數(shù)的襯底上生長(zhǎng)具有不同組分和厚度的高品質(zhì)外延錳氧化物薄膜，用 ARPES原位測(cè)量體系的電子結(jié)構(gòu)。總結(jié)錳氧化物體系電子結(jié)構(gòu)隨組分、應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律，研究電子-電子及電子-波色子相互作用對(duì)電子行為的影響，揭示電子結(jié)構(gòu)和宏觀物理特性之間的聯(lián)系。從電子結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)試圖闡明錳氧化物體系龐磁阻、相分離、電荷軌道有序等異常物理性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)理。
(3) 利用STM特有的原子級(jí)空間分辨率，局域態(tài)密度能譜，能量分辨譜圖，及原子操縱功能。通過(guò)高分辨率的空間掃描成像，定位表面相關(guān)原子層結(jié)構(gòu)，特別是摻雜原子的位置。研究摻雜原子對(duì)表面原子層結(jié)構(gòu)的調(diào)制。 通過(guò)局域態(tài)密度能譜，研究庫(kù)珀電子對(duì)的激發(fā)態(tài)(超導(dǎo)能隙)與贗能隙(pseudogap)的關(guān)系。通過(guò)分析能量分辨譜圖，研究超導(dǎo)序的二維結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律。通過(guò)改變溫度，調(diào)整摻雜濃度，及外加磁場(chǎng)，我們可以直觀地觀察超導(dǎo)序表面二維結(jié)構(gòu)的變化。
(4) 發(fā)展SP-STM技術(shù)研究高溫超導(dǎo)材料中電子自旋結(jié)構(gòu)。這個(gè)新型的SP-STM將能提供原子級(jí)空間分辨率和自旋極化分辨的譜圖圖像。利用這一工具，我們將著重研究在反鐵磁與超導(dǎo)共存的高溫超導(dǎo)體中的反鐵磁自旋結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁通蝸旋中反鐵磁核心的存在早已由SO(5)理論預(yù)測(cè)，此結(jié)果將驗(yàn)證SO(5)理論預(yù)測(cè)的結(jié)果。另外，我們將利用這一工具研究表面吸附的磁性原子對(duì)局域態(tài)密度能譜的影響及其與超導(dǎo)電子對(duì)的相互作用。
(5) 建設(shè)強(qiáng)磁場(chǎng)下的紅外反射譜測(cè)量系統(tǒng)，研究磁場(chǎng)下高溫銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體的準(zhǔn)粒子激發(fā)行為。重點(diǎn)研究銅氧超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體中電子與集體激發(fā)-聲子激發(fā)/自旋激發(fā)模式的耦合問(wèn)題。我們將用光學(xué)響應(yīng)或光電導(dǎo)譜對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)載流子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等重要信息進(jìn)行分析，研究超導(dǎo)配對(duì)引起的能隙特征，揭示電子是與何種集體模式存在較強(qiáng)的耦合等基本信息。
(6) 利用高壓多重合成條件獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性質(zhì)獨(dú)特的高質(zhì)量的銅基和鐵基高溫超導(dǎo)體及巡游磁性體系單晶，探尋關(guān)聯(lián)體系金屬化過(guò)程的量子序及其調(diào)控機(jī)制。在我們成功的高溫高壓合成以上具有特點(diǎn)的多晶材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化壓力、溫度和組分等極端合成條件，研制和研究在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、高質(zhì)量的含鹵素的 Sr2CuO2+δCl2-x高溫超導(dǎo)體單晶和可能的巡游型BaRuO3單晶，以及“111”型鐵基超導(dǎo)體單晶體;運(yùn)用多種能譜學(xué)、磁性、顯微學(xué)等物理?xiàng)l件的綜合表征體系，研究揭示這些體系的量子有序規(guī)律。
(7) 利用我們發(fā)展的新的理論和計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)組的研究進(jìn)展對(duì)多種過(guò)渡金屬氧化物及其奇異物性進(jìn)行定量的研究。一方面，為各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其物理本質(zhì)提供理論解釋，另一方面，計(jì)算模擬并預(yù)測(cè)一些新型的量子有序現(xiàn)象，包括金屬-絕緣體相變，軌道選擇性的Mott轉(zhuǎn)變，軌道有序態(tài)，Berry相等等。主要研究?jī)?nèi)容包括自旋與軌道自由度相關(guān)的量子現(xiàn)象計(jì)算研究; 受限強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中的量子現(xiàn)象計(jì)算研究。
3、量子材料輸運(yùn)性質(zhì)的高精度測(cè)量
(1) 首先我們將致力于自行研制加工一套較完備的電學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)測(cè)量裝置，其中包括熱導(dǎo)率、熱電勢(shì)、能斯特效應(yīng)、微晶比熱和微杠桿磁強(qiáng)計(jì)等較獨(dú)特的手段。這些裝置將可以工作在低溫、高真空、強(qiáng)磁場(chǎng)的極端物理?xiàng)l件下，測(cè)量結(jié)果的精度具有國(guó)際領(lǐng)先水平。將完善一套低溫比熱測(cè)量裝置，獲得比一般商業(yè)手段高出一個(gè)量級(jí)的測(cè)量精度。建造一套轉(zhuǎn)角度的比熱測(cè)量系統(tǒng)。研究非常規(guī)超導(dǎo)體的低能激發(fā)和配對(duì)對(duì)稱性。完善小Hall探頭系統(tǒng)和磁場(chǎng)極慢掃描的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，精密測(cè)量磁場(chǎng)穿透行為，確定下臨界磁場(chǎng)和超流密度隨溫度的變化關(guān)系。
(2) 我們將對(duì)高溫超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體和鈉鈷氧體系進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究。這三個(gè)體系的共性是由于電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，電荷與自旋自由度有分離的傾向，然而相互之間又存在著精微的相互作用，從而導(dǎo)致高溫超導(dǎo)、超導(dǎo)與磁性緊鄰甚至共存、居里-外斯金屬等奇妙的物理現(xiàn)象。如何理解電荷與自旋自由度的關(guān)系是強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的核心理論問(wèn)題之一。我們可以通過(guò)選取特定的研究手段而選擇性地分別探測(cè)電荷與自旋元激發(fā)，也可以同時(shí)研究二者之間的相互作用。將這些不同的手段結(jié)合起來(lái)將可以對(duì)關(guān)聯(lián)體系中電荷與自旋的行為提供一個(gè)較完整的圖像。我們關(guān)注的主要問(wèn)題包括磁性與超導(dǎo)的相互關(guān)系、電荷與自旋有序態(tài)的形成機(jī)制、自旋自由度對(duì)電荷輸運(yùn)和熵輸運(yùn)的影響，等等。
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