(1) 新材料的探索與合成及單晶生長：探索新超導材料，主要從事鐵基超導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，以及包含稀土和過渡元素的其他層狀多元化合物中的新材料探索;總結樣品合成和成相規律，發展新方法、新工藝，尋找新現象、新效應;另外將生長高質量單晶樣品以用于深入的物理研究。
(2) 晶體結構表征與研究：對發現的新材料進行晶格結構、化學成分的表征，從而促進材料的探索;研究新的結構現象，深入分析新型超導體的微結構-物理性能之間的關聯，研究化學成鍵、電子能帶結構，研究高/低溫結構相變等，研究晶格中缺陷、畸變對超導的影響。
(3) 超高壓下的量子效應研究：研發一套超高壓低溫測量系統(100GPa，1.5K)，在此基礎上研究超高壓下鐵基材料以及其他新材料中可能出現的新奇量子現象、超高壓對超導轉變的影響、高壓高場下材料的物性和相圖，探索高壓下可能出現的新量子態和新奇量子現象。
(4) 中子散射研究：研究銅氧化物和鐵基高溫超導材料以及其他新材料的晶格精細結構，電子自旋、電荷、軌道有序結構，研究超導材料及其母體中的自旋激發、自旋漲落的形成、演變及其和超導的關系，研究材料中形成的新的量子態和量子現象。
2、關聯體系量子功能材料的物性研究：
利用譜學的方法研究新型量子功能材料的電子結構，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聯系統(以高溫超導體和龐磁阻材料為主)的電子結構，爭取在高溫超導和龐磁阻材料的機理研究中有重大突破。具體到各種譜學實驗方法和強關聯體系中的問題，細分為：
(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體(包括銅氧超導體和鐵基超導體)為主的多種新奇超導體材料。本項目將結合我們在高溫超導材料和角分辨光電子能譜上的優勢，對高溫超導體進行深入系統的研究，重點研究超導態對稱性、贗能隙、電子與其它集體激發模式耦合等現象。
(2) 錳氧化物體系，特別是三維鈣鈦礦結構錳氧化物薄膜的電子結構，我們將在不同晶格參數的襯底上生長具有不同組分和厚度的高品質外延錳氧化物薄膜，用 ARPES原位測量體系的電子結構。總結錳氧化物體系電子結構隨組分、應力和溫度的變化規律，研究電子-電子及電子-波色子相互作用對電子行為的影響，揭示電子結構和宏觀物理特性之間的聯系。從電子結構的角度出發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的內在機理。
(3) 利用STM特有的原子級空間分辨率，局域態密度能譜，能量分辨譜圖，及原子操縱功能。通過高分辨率的空間掃描成像，定位表面相關原子層結構，特別是摻雜原子的位置。研究摻雜原子對表面原子層結構的調制。 通過局域態密度能譜，研究庫珀電子對的激發態(超導能隙)與贗能隙(pseudogap)的關系。通過分析能量分辨譜圖，研究超導序的二維結構及其演變規律。通過改變溫度，調整摻雜濃度，及外加磁場，我們可以直觀地觀察超導序表面二維結構的變化。
(4) 發展SP-STM技術研究高溫超導材料中電子自旋結構。這個新型的SP-STM將能提供原子級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共存的高溫超導體中的反鐵磁自旋結構，超導磁通蝸旋中反鐵磁核心的存在早已由SO(5)理論預測，此結果將驗證SO(5)理論預測的結果。另外，我們將利用這一工具研究表面吸附的磁性原子對局域態密度能譜的影響及其與超導電子對的相互作用。
(5) 建設強磁場下的紅外反射譜測量系統，研究磁場下高溫銅氧化物超導體和鐵基超導體的準粒子激發行為。重點研究銅氧超導體和鐵基超導體中電子與集體激發-聲子激發/自旋激發模式的耦合問題。我們將用光學響應或光電導譜對材料的電子結構，傳導載流子的動力學性質等重要信息進行分析，研究超導配對引起的能隙特征，揭示電子是與何種集體模式存在較強的耦合等基本信息。
(6) 利用高壓多重合成條件獲得結構簡單和性質獨特的高質量的銅基和鐵基高溫超導體及巡游磁性體系單晶，探尋關聯體系金屬化過程的量子序及其調控機制。在我們成功的高溫高壓合成以上具有特點的多晶材料的基礎上，進一步優化壓力、溫度和組分等極端合成條件，研制和研究在結構簡單的、高質量的含鹵素的 Sr2CuO2+δCl2-x高溫超導體單晶和可能的巡游型BaRuO3單晶，以及“111”型鐵基超導體單晶體;運用多種能譜學、磁性、顯微學等物理條件的綜合表征體系，研究揭示這些體系的量子有序規律。
(7) 利用我們發展的新的理論和計算方法，結合實驗組的研究進展對多種過渡金屬氧化物及其奇異物性進行定量的研究。一方面，為各種實驗現象及其物理本質提供理論解釋，另一方面，計算模擬并預測一些新型的量子有序現象，包括金屬-絕緣體相變，軌道選擇性的Mott轉變，軌道有序態，Berry相等等。主要研究內容包括自旋與軌道自由度相關的量子現象計算研究; 受限強關聯電子系統中的量子現象計算研究。
3、量子材料輸運性質的高精度測量
(1) 首先我們將致力于自行研制加工一套較完備的電學、熱學和磁學測量裝置，其中包括熱導率、熱電勢、能斯特效應、微晶比熱和微杠桿磁強計等較獨特的手段。這些裝置將可以工作在低溫、高真空、強磁場的極端物理條件下，測量結果的精度具有國際領先水平。將完善一套低溫比熱測量裝置，獲得比一般商業手段高出一個量級的測量精度。建造一套轉角度的比熱測量系統。研究非常規超導體的低能激發和配對對稱性。完善小Hall探頭系統和磁場極慢掃描的振動樣品磁強計，精密測量磁場穿透行為，確定下臨界磁場和超流密度隨溫度的變化關系。
(2) 我們將對高溫超導體、鐵基超導體和鈉鈷氧體系進行深入的實驗研究。這三個體系的共性是由于電子強關聯作用，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，從而導致高溫超導、超導與磁性緊鄰甚至共存、居里-外斯金屬等奇妙的物理現象。如何理解電荷與自旋自由度的關系是強關聯物理的核心理論問題之一。我們可以通過選取特定的研究手段而選擇性地分別探測電荷與自旋元激發，也可以同時研究二者之間的相互作用。將這些不同的手段結合起來將可以對關聯體系中電荷與自旋的行為提供一個較完整的圖像。我們關注的主要問題包括磁性與超導的相互關系、電荷與自旋有序態的形成機制、自旋自由度對電荷輸運和熵輸運的影響，等等。
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