High temperature superconductivity: from complexity to simplicity
Sudip Chakravarty
讨论了近几年来在欠掺杂高温超导体中的量子振荡实验。
I discuss the recent quantum oscillation experiments in the underdoped high temperature superconductors.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
High Temperature Superconductivity: Ineluctable Complexity
在高温超导体YBa $_2$ Cu $_3$ O $_{6+y}$中发现的电荷密度波序将电荷序置于超导性的中心舞台，表明它们相互交织而不是相互竞争。
Simplicity out of complexity: band structure for W$_{20}$O$_{58}$ superconductor
用密度泛函理论（DFT）在广义梯度近似（GGA）下研究了一种新发现的超导体--与W $_{20}$ O $_{58}$等价的缺氧氧化钨WO $_{2.9}$的能带结构、态密度和费米面.在这里，我们表明，尽管非常复杂的结构包含78个原子的单位晶胞，低能量能带结构是相当可行的。费米能级与每个自旋投影不超过10个能带交叉（当考虑自旋-轨道耦合时，甚至每个赝自旋投影9个能带），这些能带源自形成锯齿形链的钨原子的$d$轨道。
High Temperature Superconductivity in the Cuprates
1986年在铜氧化物中发现高温超导性，引发了大量创造性和创新性的科学探索。在接下来的28年里，人们对这个强关联电子系统中所展示的量子物质的新形式有了很多了解。这一进展是由于样品质量的提高以及先进实验技术的发展和完善而取得的。在某种程度上，探究的途径是由理论发展推动的，在某种程度上，新的理论框架已经被构想出来，以解释意料之外的实验观察。对超导态本身性质的全面定性理解已经实现，而深刻的未解决的问题已经成为越来越尖锐的焦点，涉及相图的惊人复杂性，各种形式的集体波动的前所未有的突出性，以及在高温下对“正常”状态的材料细节的简单性和不敏感性。从弦论、量子信息理论和各种数值实现的近似方法中提取的新概念方法正在被探索，作为掌握这种丰富的相互关联现象的方法。
ARPES on HTSC: simplicity vs. complexity
角分辨光电子能谱（ARPES）在理解高温超导体（HTSC）的微观电子性质中具有重要作用。这种技术为观察固体的倒易空间提供了一个直接的窗口：准粒子（电子被包裹在相互作用的云中）所处的动量-能量空间。电子系统中的任何相互作用，例如超导配对，都会导致准粒子谱的修改--导致谱重在ARPES探测的动量-能量空间上的重新分布。该技术的不断发展产生了一种效果，即通过ARPES窗口看到的图像变得更加清晰和锐利，直到铜酸盐的电子能带结构的复杂性得到解决。现在，在超导性的最佳掺杂范围内，铜酸盐更类似于具有良好预测的电子结构的正常金属，尽管具有相当强的电子-电子相互作用。这种复杂物理学与复杂结构的主要分离，将高温超导的奥秘简化为一个负责准粒子形成的相互作用的有形问题。在这里，我们提出了一个简短的概述，resent ARPES的结果，其中，我们相信，表示一种方式来解决高温超导难题。
Ising Superconductivity and Quantum Phase Transition in Macro-Size Monolayer NbSe2
二维（2D）过渡金属二硫属化物（TMD）具有一系列独特的物理性质，可用于电子学、光子学、自旋电子学和量子计算器件的开发。微尺寸TMD薄片的机械剥离技术由于其简单性和成本效益而引起了特别的兴趣。然而，对于大多数应用，优选大面积和高质量的膜。此外，当结晶膜的厚度下降到2D极限（单层）时，由于量子限制和对称性破缺，可以预期奇异的性质。本文采用分子束外延（MBE）方法，在6 H-SiC（0001）衬底的双层石墨烯末端表面成功制备了宏观尺寸原子级平坦单层NbSe 2薄膜。该薄膜表现出的起始超导临界转变温度高于6 K，2倍高于机械剥离NbSe 2薄片。同时，高磁场下的输运测量表明，平行特征场Bc//至少是顺磁极限场的4.5倍，符合塞曼保护的伊辛超导机制.此外，通过超低温电输运测量，单层NbSe 2薄膜在接近零温度量子临界点时显示出量子Griffiths奇异性。
Universal scaling relation in high-temperature superconductors
标度律表达了自然界中复杂系统的系统性和普遍性的简单性。例如，这些定律在生物学中具有巨大的意义。标度关系在物理科学中也很重要。1986年在铜氧化物材料中发现了高转变温度（high-T_c）超导性，这一发现引发了人们对铜氧化物及其相关复合氧化物的深入研究，但其超导机制至今仍未达成一致。此外，还没有发现包括T_c和超流密度ρ_s等基本性质的普适标度律，ρ_s是超导态中载流子数量的表征量。本文证明了ρ_s \propto σ_{dc} T_c（电导率σ_{dc}表征T_c以上电荷载流子的单向恒定流动）的标度关系对各种材料和掺杂水平普遍成立。这一令人惊讶的统一观测结果可能对高T_c超导理论产生重要影响。
Review of annealing effects and superconductivity in Fe$_{1+y}$Te$_{1-x}$Se$_x$ superconductors
Fe $_{1+y}$ Te $_{1-x}$ Se $_x$结构简单，仅由FeTe/Se层组成，这有利于探讨超导机制。近年来，人们发现了拓扑表面超导性和Majorana费米子，这使得Fe $_{1+y}$ Te $_{1-x}$ Se $_x$成为第一个高温拓扑超导体。由于Fe $_{1+y}$ Te $_{1-x}$ Se $_x$的大尺寸单晶可以容易地生长，因此已经进行了许多研究。然而，很大一部分的报道结果是有争议的，包括电阻率，磁化率，霍尔效应，间隙结构，相图等。这些争议被认为是来自样品依赖的Fe非化学计量，这源于部分占领的第二个Fe网站（过量Fe）在Te/Se层。价态接近Fe $^+$的过量Fe将向体系中提供电子掺杂。同时，过量的Fe也是强磁性的，其将充当剥落破坏者并且还使载流子局部化。去除过量的Fe对于探索Fe $_{1+y}$ Te $_{1-x}$ Se $_x$化合物的本征性质和超导电性机制至关重要。本文综述了Fe $_{1+y}$ Te $_{1-x}$ Se $_x$中过量Fe的去除方法。此外，我们讨论了退火机制的基础上的结构，成分和形貌的演变与退火。此外，我们还综述了退火对正常态和超导性质的影响，包括磁性、输运性质、能带结构、$T_{\rm{c}}$、相图、上临界场、各向异性、临界电流密度、带隙结构和超导配对。本文介绍了无过量Fe的最佳制备方法，以及Fe $…
Topological Theory of Ceramic High Temperature Superconductors
最佳掺杂陶瓷超导体（铜酸盐，磷属元素化物，.）表现出的转变温度Tc比强耦合金属超导体如Pb（Tc= 7.2K，Eg/kTc = 4.5）大得多，并且表现出许多普遍的特征，这些特征似乎与基于吸引性电子-声子配对相互作用的BCS超导理论相矛盾。在这里，我认为，这种自相矛盾的简单性是合理的解决框架内的Pauling-Phillips自组织，硬连线的掺杂剂网络模型的陶瓷超导体，以前解释了许多功能的正常状态下的这些材料的输运性质，并成功地预测严格的最低上限Tc的铜酸盐和磷族元素化物的家庭。
A deep learning approach to search for superconductors from electronic bands
本研究提出用深度学习方法BNAS挖掘电子能带结构与超导转变温度的关联，借助注意力机制定位超导相关能带区域，预测了潜在超导体，为超导机制研究提供新视角。
Theory of High-Tc Superconductivity in Cuprates
本文基于自旋-费米-哈伯德模型，通过将铜离子电子视为局域自旋、掺杂空穴在氧子晶格上运动并发生近藤相互作用，成功解释了空穴掺杂铜氧化物的高温超导现象。
Superconductivity in Quantum Complex Matter: the Superstripes Landscape
而二十世纪的超导理论主要集中在具有刚性晶格的均匀金属上，这种金属在脏极限下可以简化为单个有效导带。在21世纪的今天，超导物理学的重点是量子物质的复杂性，其中具有纳米尺度（1 nm至100 nm）和介观尺度（100-10000 nm）的晶格不均匀性的新量子功能，其中电子结构需要通过多个费米表面和超导相中的多个间隙来描述。本期《超导和新磁性杂志》收集了2019年6月23日至29日在意大利伊斯基亚岛举行的2019年国际会议Superstripes上发表的论文。Stripes系列会议始于1996年12月8日，在过去的23年里，它为量子复杂系统中超导新物理的科学进展做出了贡献，其中极化子，应变，多能隙超导，凝聚体之间的交换相互作用，颗粒超导和渗滤起着关键作用。这期杂志所收录的文章涵盖了复杂物质的新量子物理学的热门话题，包括高温超导机制、复杂磁序和强关联材料中的轨道物理，这些话题在过去两年中迅速发展，也为介观量子工程开辟了新的视角。
Iron based superconductors: magnetism, superconductivity and electronic structure
角分辨光电子能谱（ARPES）揭示了准二维晶体的电子结构特征，这些特征对自旋和电荷有序的形成至关重要，并决定了电子-电子相互作用机制，包括超导配对。新发现的铁基超导体（FeSC）承诺有趣的物理学，一方面源于超导性和磁性的共存，另一方面，来自复杂的多带电子结构。在这篇综述中，我想给一个简单的介绍FeSC物理，并主张一种观点，即所有的复杂性FeSC性能封装在其电子结构。对于许多化合物，这种结构是在许多ARPES实验中确定的，并且与能带结构计算的结果相当吻合。然而，存在的小差异可能有助于理解FeSC中的磁有序和超导配对的机制。
Effect of electromagnetic permeability on transition temperature of superconductivity
本文通过半经典电磁理论与涡旋拓扑模型，研究物质电磁参数对超导转变温度的影响，发现磁单极子能量与涡旋能量一致，并指出介电常数和磁导率在高温超导中起关键作用。
Effect of Electron Count and Chemical Complexity in the Ta-Nb-Hf-Zr-Ti High-Entropy Alloy Superconductor
高熵合金是由简单晶格上主要元素的随机混合物制成的，由高混合熵稳定。最近发现的体心立方Ta-Nb-Hf-Zr-Ti高熵合金超导体显示出简单晶态金属间化合物和非晶态材料的性质，例如，它具有良好的超导转变以及对无序的异常鲁棒性。在这里，我们表明，在高熵合金的超导转变温度的价电子数的依赖性之间的类似的简单的固溶体和非晶材料，并测试合金的复杂性对超导电性的影响。我们提出高熵合金作为研究超导性的优良中间系统，因为它之间的结晶和非晶材料的演变。
High-throughput investigation of tunable superconductivity in FeSe films
在铁基材料中，结构变化与掺杂载流子对超导电性机制的相对重要性一直存在争议。阐明这个问题是一个重大的挑战，因为它将需要大量的样品，其中结构特性或载流子密度是系统地变化的。FeSe结构简单，是解决这个问题的理想平台。已经证明，这种材料的超导电性可以通过晶格调谐以及电子结构操纵来控制。在这里，我们应用高通量的方法，FeSe系统地描绘其结构和电子性质的相互依赖性。采用双光束脉冲激光沉积法制备了FeSe薄膜，其超导转变温度在1cm宽范围内具有明显的梯度（低于2K < Tc <12K）。Tc梯度薄膜在面外和面内晶格常数分别表现出约1%的连续拉伸和压缩，触发了超导性的持续增强。结合对均匀FeSe薄膜的输运和角分辨光电子能谱测量，我们发现电子载流子密度与Tc密切相关，它增加到6倍，并最终超过几乎恒定的空穴浓度。我们的透射电子显微镜和能带结构的计算表明，而不是通过移动的化学势，增强的超导电性与选择性调整的dxy带的色散通过减少局部晶格畸变的费米能级。因此，这种新的机制提供了一个关键的理解离散超导相的FeSe。
Superconductivity and magnetism in platinum-substituted SrFe2As2 single crystals
采用自熔溶液法生长了SrFe 2-xPtxAs 2（0 <x <0.36）单晶，并采用x射线晶体学、电输运、磁化率和比热测量对其进行了表征。随着Pt浓度的增加，磁性/结构转变被抑制，在0.08 <x <0.36的范围内观察到超导电性，在x = 0.16时的最大转变温度Tc为16 K。相图的形状和晶格参数的变化类似于其他第VIII族元素Ni和Pd的影响，但是更高的转变温度和更宽的超导电性范围表明了一些复杂性，超出了迄今为止讨论的简单电子计数图。
Pair-pair interactions as a mechanism for high-T$_c$ superconductivity
库珀对之间的相互作用被认为是超导态的一种机制。高于$T_c$，预先存在但波动的库珀对产生非常规的{ \it赝隙}（PG）状态，其特征在于通过实验。在临界温度，对-对相互作用引起这些预形成的对的类玻色凝聚，导致超导（SC）状态。在$T_c$以下，凝聚能和对-对相互作用$β$都与凝聚密度$N_{oc}(T)$成正比，而通常的费米能级谱隙$Δ_p$与温度无关。新的序参量$β(T)$可以作为温度、载流子浓度和无序度的函数，即相图。铜氧化物的复杂性，揭示了大量的参数，是一个后果的{ \it耦合准粒子的库珀对激发}。后一种解释得到了观测到的准粒子谱函数的有力支持。
Scanning tunneling spectroscopy of superconductivity on surfaces of LiTi2O4(111) thin films
在表面/界面处的独特的超导电性，例如LaAlO 3/SrTiO 3界面，以及在SrFeSe薄膜中的高转变温度，引发了关于超导电性如何在原子和电子重构中受到影响的激烈争论。超导立方尖晶石氧化物LiTi 2 O 4的表面是另一个有趣的系统，因为其固有的表面电子和原子重构增加了超导性能的复杂性。由于缺乏单晶或高质量的薄膜，对这种表面的研究受到阻碍。本文利用低温扫描隧道显微镜，在LiTi_2 O_4（111）外延薄膜的表面发现了一个意想不到的小超导能隙和长相干长度。此外，我们发现，赝能隙开放的费米能量修改表面的超导电性。我们的研究结果开辟了一条途径，探索在立方过渡金属氧化物表面的异常超导性，其中的电子态是自发调制涉及丰富的多体相互作用。
"Fragile superconductivity": a kinetic glass transition in the vortex matter of the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-d
在自然界中发现的许多不同种类的玻璃态中，自旋玻璃和结构玻璃（例如普通窗玻璃）可能受到最多的关注。关于玻璃态的中心问题之一是“玻璃”是否是不同于“液体”相的热力学相。据信，这实际上可能是自旋玻璃的情况，而结构玻璃中的玻璃化转变似乎主要是动力学性质的。然而，过冷结构液体表现出广泛的行为，可以使用Angell的“强-脆弱”方案进行分类，其中术语“强”和“脆弱”分别指Arrhenius和高度非Arrhenius松弛行为。对于极其脆弱的液体，不能排除玻璃化转变的热力学起源。然而，缺乏对导致不同程度的脆弱性和影响动力学玻璃化转变的复杂性的微观理解。此外，不同种类的玻璃态（自旋、结构等）之间的联系（如果有的话）还不清楚在这里，我们研究了一种新型的物质，即在高温超导体（HTSC）YBa 2 Cu 3 Ox的涡旋物质的玻璃态行为。
London superconductivity approach in a time-dependent background
本文的主要目的是利用London方法得到含时参数超导体中电荷空间的量子精确解。基于Lewis和Riesenfeld不变算符方法，我们提出了一种新的超导体内部电荷量子化方案。由得到的波函数，我们计算了系统的含时不确定度和平均能量。信息的措施，如香农熵和复杂性。后者总是与时间无关，也不依赖于电导率。其他量用时间相关函数\r{ho}（t）表示，c-数量满足非线性微分方程。
Weak phase stiffness and mass divergence of superfluid in underdoped cuprates
尽管经过了二十多年的深入研究，研究人员仍然难以理解在铜酸盐中观察到的高温（高$T_c$）超导性的真正本质。特别是，在所谓的“欠掺杂”区域，超导性的总体行为偏离了$qualitatively$由Barclay，Cooper和Schrieffer（BCS）开创的标准理论描述。最近，超导序参量相位涨落的重要性得到了各种实验的支持。然而，负责令人惊讶的软相的微观机制仍然是最重要的未解决的难题之一。在这里，相反的标准BCS的出发点，我们提出了一个简单的，可解的低能量模型在强耦合限制，映射的超导性字面上到一个很好理解的物理超流体在一个特殊的稀释玻色子系统的本地掺杂空穴对。在原型材料（La $_{1-δ}$ Sr $_δ$）$_2$ CuO $_4$中，不使用任何自由参数，对于高于$\sim 5.2\%$的掺杂，获得了$d$波超导性，低于该掺杂，意外的非相干$p$波对占主导地位。在整个欠掺杂区，发现非常软的相位起源于对的巨大质量增强。此外，一个惊人的质量发散的预测，指示所观察到的量子临界点的发生。我们的模型产生的超流体的性质与实验吻合得很好，并提供了新的见解，目前的几个难题。由于其简单性，该模型提供了一个范例，在回答长期存在的挑战，在欠掺杂铜酸盐的巨大价值。
Inhomogeneity, Dynamical Symmetry, and Complexity in High-Temperature Superconductors: Reconciling a Universal Phase Diagram with Rich Local Disorder
一个包含反铁磁性、d波超导性和无双晶格位置占据的高温超导体模型可以给出在特定掺杂和温度范围内反铁磁性和超导有序之间精确平衡的能量表面。由此产生的属性可以调和一个普遍的铜酸盐相图丰富的不均匀性，与赝隙的不均匀性，给出了一个基本的理由巨大的邻近效应和其他新兴的行为，并提供了一个客观的框架，从外围分离的超导机制。
Recent advances in high-throughput superconductivity research
超导材料在快速增长的技术领域中得到应用，寻找新型超导体仍然是一项重大的科学任务。然而，候选材料复杂性的稳步增加给该领域的研究人员带来了巨大的挑战。特别是，传统的实验方法不太适合有效地搜索候选人的组成空间指数增长的元素的数量，也不允许快速提取可靠的多维相图描绘的物理参数，控制超导性。迫切需要新的研究范式来提高超导材料研究的速度和效率。用于快速筛选和优化材料的高通量方法已经证明了它们在生物信息学和制药工业中加速研究的实用性，但在量子材料研究中仍然很少见。本文简要回顾了高通量研究范式的发展历史，重点介绍了高通量研究范式在超导研究中的应用。我们认为这些方法可以在材料开发的各个阶段发挥作用，包括高通量计算，合成，表征和新兴的材料机器学习领域。在不久的将来，高通量模式无疑将成为超导研究不可或缺的工具。
A mathematical derivation of zero-temperature 2D superconductivity from microscopic Bardeen-Cooper-Schrieffer model
从H开始。Fröhlich关于$d$维电子气与晶格声子相互作用的第二量子化哈密顿量描述了金属的量子振动，我们给出了超导态的严格数学推导，遵循最初由J. Barthoun，L.库珀和J.施里弗。正如在90年代的一系列论文中所写的那样，本论文是其中的延续，离子作为均匀电荷背景的表示允许在平衡状态下对模型进行$(1+d)$维费米量子场论重新表述。为了简单起见，我们在这篇文章中限制到$d=2$尺寸和零温度，并忽略由于电磁相互作用的影响。在这些假设下，我们证明了从费米液体状态过渡到超导状态的库珀电子对的能级$Γ_ϕ\sim \hbarω_D e^{-π/mλ}$等于质量间隙，表示的德拜频率$ω_D$，电子质量$m$和耦合常数$λ$。动态$U(1)$ -对称性破缺在低于能隙$Γ_ϕ$的能量下产生戈德斯通玻色子，戈德斯通玻色子是由有效的$(2+1)$维非线性σ模型描述的非质量粒子，其参数和相关性被计算。证明依赖于一般概念和工具（多尺度集群扩展，沃德身份）的混合物，适用于这个量子多体问题，其扩展的红外奇点位于费米圆上，和一个特定的$1/N$ -扩展给中间能量的主要图表。梯形图被证明提供了领先的行为，在红外线的限制，与平均场理论的预测。
Electronic-Structure Correlations Governing Superconductivity in Nb-Based High-Entropy Alloys
研究铌基高熵合金中电子结构与晶格畸变对超导性能的影响，揭示电子结构指纹与振动特征之间的关联，建立超导高熵合金的机制设计策略。
Ubiquitous Charge Order Correlations in High-Temperature Superconducting Cuprates
在高转变温度铜氧化物（高Tc铜酸盐）中存在电荷有序是十年前发现的。现在，它是一个普遍观察到的秩序，如反铁磁和超导秩序的铜酸盐。电荷序根据材料的不同以不同的形式出现，并且在相图中与其他的电荷序重叠。由于这种多样性和复杂性，电荷序是否与超导性和神秘的赝能隙现象有直接关系还远未清楚。然而，在过去几年的研究发展已经成功地揭示了普遍的方面的电荷秩序及其波动。事实证明，电荷序与超导电性兼容，并且它的涨落具有与赝能隙相当的高起始温度和高能量标度。电荷序关联可能是必不可少的创造的赝能隙，并可能产生高Tc的超导性，通过合作与自旋和配对关联。
Impact of electronic correlations on the superconductivity of high-pressure CeH$_9$
本研究通过结合密度泛函理论和动态平均场理论，揭示电子关联对CeH₉超导临界温度的影响，将预测临界温度提升至96 K，接近实验测量值。
Drastic enhancement of the superconducting temperature in type-II Weyl semimetal candidate MoTe$_2$ via biaxial strain
第二类Weyl半金属候选体MoTe $_2$在T_c~0.1 K超导，是实现拓扑超导电性的理想候选体之一。然而，极低的$T_c$与小的上临界场（$H_{c2}$）相关联，这意味着仅存在于$H$ - $T$相图的小区域上的脆弱超导相。在这里，我们描述了一种简单而通用的方法，根据不同材料之间的差异热膨胀薄单晶MoTe $_2$的双轴应变。通过这种方法，我们成功地提高了$T_c$的MoTe $_2$的五倍，从而扩大了$H$ - $T$相图上的超导区域显着。为了证明在双轴应变的MoTe $_2$的超导性研究的相对容易，我们进一步提出的磁输运数据，使温度依赖的$H_{c2}$和各向异性的超导状态，否则将难以获得在一个独立的MoTe $_2$的研究。我们的工作表明，双轴应变是调节MoTe $_2$电子性质的有效方法。由于我们的方法简单，应用双轴应变，我们预计其直接适用于更广泛的一类量子材料。
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