冯世平 教授 博士生导师
冯世平教授

主要从事凝聚态理论、特别是强关联多电子系统与高温超导电性的研究,与合作者合作提出了一个费密子-自旋理论[Phys. Rev. B49, 2368 (1994); J. Phys. Condensed Matter, 16, 343-359 (2004) ; Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015) (Review)],并在此基础上建立和发展了一个动能驱动的高温超导电性机制[Phys. Rev. B 68, 184501 (2003); Physica C 436, 14-24 (2006); Phys. Rev. B 85, 054509 (2012); Phys. Rev. B 85, 099902 (2012); Physica C517, 5-15 (2015); Physica C 551, 72-81 (2018); Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015) (Review)],然后应用这一高温超导电性理论在解释高温超导材料的物理特性方面做了一些有特色的研究工作。同时从事本科生课程的教学工作和研究生的培养工作,入选1994年度国家教育部《跨世纪优秀人才计划》并获基金资助。获1997年度香港求是科技基金会“杰出青年学者奖”,1998年被国家人事部授予“中青年有突出贡献专家”,2001年度获国家杰出青年基金资助。

A. 研究领域:
凝聚态理论、特别是低维强关联多电子系统与高温超导电性, 低维量子磁性系统。
B1. 研究领域的简单说明:

普通的低温超导电性的基础是系统首先形成费密液体,然后电子-电子之间借助于电子-声子耦合而相互吸引形成电子的库柏对,这些电子的库柏对玻色凝聚后形成没有电阻的超导态。这个低温超导电性理论是由美国物理学家巴丁(J. Bardeen)-库柏(L.N. Cooper)-施里夫(J.R. Schrieffer)于1957年创立,因而称之为 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 电-声子耦合理论。为了提高超导转变温度,BCS电-声子耦合理论告诉人们应当寻找在费密面附近电子态密度高并有强的电子-声子相互作用的好金属。一般而言,好的金属都不是强电子关联系统。然而,1986年实验上发现氧化物高温超导体则标志着强关联系统与高温超导电性研究热潮的开始。在此之前,强关联系统的研究被认为是一个重要的次要方面,而且大多数严肃的从事多体物理研究的理论工作者相信费密液体理论可以适用于大部分人们感兴趣的材料。但是氧化物高温超导体的发现改变了人们的这种看法,这是因为氧化物高温超导物体是典型的强关联系统,同时又是一种高度各向异性的材料,支配其物理性质的主要是在这些材料中共有的铜-氧平面里电子的强关联效应,这里强的量子涨落和电子关联导致了氧化物高温超导体的正常态显示一系列与费密液体性质完全不同的反常物理行为。对于普通的低温超导体,这里仅仅在超导转变温度Tc 之下存在一个超导能隙Δs,而这个超导能隙Δs 则反映了在超导态时形成电子库柏对的配对强度,也就是说破坏电子库柏对所需要的最小能量正好就是Δs。然而对于氧化物高温超导体,大量已知的实验结果表明除了在超导转变温度Tc 之下存在一个超导能隙Δs 之外,在超导转变温度Tc 之上和一个特定的温度T之下,还存在一个能隙Δpg,这个能隙Δpg 称之为正常态赝能隙,而对应的这个特定温度T则称之为正常态赝能隙的跨接(crossover)温度。由于氧化物高温超导体中的正常态赝能隙仅仅在欠掺杂区域中特别明显,并且随着掺杂浓度的增加而减小,这也就是为什么氧化物高温超导体在欠掺杂区域的正常态明显偏离费密液体行为而显示极为特殊的反常物理性质。这些正常态的反常物理行为也似乎告诉人们超导材料的正常态是费密液体的材料并不能导致高的超导转变温度。与普通低温超导电性的 BCS 电-声子耦合理论的预言相反,氧化物高温超导电性也说明了强的电子关联反而有利于超导电性。氧化物高温超导体的超导态具有d-波对称性,而不是普通的低温超导体超导态中的s-波对称性。但是在普通的低温超导体的超导态和氧化物高温超导体的超导态中一个普适的方面是这些超导基态都是由电子的库柏对玻色凝聚而形成。经过20 余年的艰苦努力,人们发现氧化物高温超导体是凝聚态物理学至今为止研究的最为复杂的系统之一。特别是现在人们虽然对于氧化物高温超导体中的一些物理性质有了一些理解,但是完整的高温超导电性理论仍然没有建成,反映了这个问题的深度和难度。因此发展和建立一套描述强关联系统和高温超导电性的理论是当前凝聚态理论研究的一个重要课题。这方面的研究将会对物理学及其交叉学科的多个领域产生深远影响。

B2. 费密子-自旋理论简介[J. Phys. Condensed Matter, 16, 343-359 (2004); Phys. Rev. B49, 2368 (1994); Phil. Mag. 96, 1245 (2016); Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015) (Review)]:

氧化物高温超导体是低维强关联系统,其反常物理特性主要是由这些材料中共有的二氧化铜平面里电子的强关联行为所决定,而强关联效应则主要是通过限制电子在没有双重占据的希尔伯特子空间里运动的局域约束条件体现出来。物理电子本身具有电荷自由度和自旋自由度。为了统一解释氧化物高温超导体的反常物理性质和超导机理,我们提出了一个能够严格处理电子的没有双重占据的局域约束条件的费密子-自旋理论,这里物理电子被退耦为带电荷的费密子和自旋,其独特之处在于带电荷的费密子描述电子的电荷自由度以及由于掺杂而使得自旋构形重新组合后对电荷自由度产生的影响,而自旋算符描述电子的自旋自由度。这里的带电荷的费密子和自旋分别是U(1)规范不变的,从这个意义上讲,这些带电荷的费密子和自旋可以被解释为有物理意义的元激发。这个理论也说明系统存在三种准粒子激发:电荷准粒子、自旋激发、和电子准粒子。电荷准粒子主要支配系统的电荷动力学行为,自旋激发主要支配系统的自旋动力学行为,而电荷自由度与自旋自由度重新组合后形成的电子准粒子则描述系统电子态的性质。在这一理论框架下,我们说明了氧化物高温超导体在正常态时的电荷输运、动力学磁响应、以及反常的电子结构。

B3. 动能驱动的高温超导机制简介[Phys. Rev. B 68, 184501 (2003); Physica C 436, 14-24 (2006), Phys. Rev. B 85, 054509 (2012); Phys. Rev. B 85, 099902 (2012); Physica C517, 5-15 (2015); Physica C 551, 72 (2018); Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015) (Review)]:

在费密子-自旋理论基础上,我们发展和建立了一个动能驱动的高温超导电性理论,其主要特征是:(1) 带电荷的费密子通过系统的动能直接交换自旋元激发在粒子-粒子通道 (channel) 导致超导能隙的形成,而在粒子-空穴通道导致正常态赝能隙的形成,然后在整个超导区域内正常态赝能隙与超导能隙共存。 在这种情况下,正常态赝能隙和超导能隙是由同一个能量尺度所主导,它们都是氧化物高温超导体中强关联效应的结果。(2) 这个动能驱动的高温超导基态是由超导能隙序参数和超导准粒子相干共同决定,而这个正常态赝能隙又与超导准粒子相干权重紧密相关,这个物理性质导致了超导转变温度在欠掺杂域区时随掺杂浓度的增加而增加,在最佳掺杂浓度时达到极大值,然后在过掺杂区域时随掺杂浓度的增加而减小;(3) 动能驱动的高温超导电性理论表明电子之间强的关联效应反而有利于高温超导电性,因为这里促成电子库柏对形成的要素是电子本身内部的自旋自由度,而不是像普通低温超导体的电-声子耦合超导机理中促成电子库柏对形成的要素是外部的声子因素。在这一动能驱动的高温超导机理下,我们说明了氧化物高温超导体在超导态时反常的动力学磁响应、迈斯纳效应、热力学性质、以及电子结构等。

C. 大学教育:
1978. 3−1982. 1, 北京师范大学物理系,获学士学位。
1982. 3−1984.12, 北京师范大学物理系,获硕士学位。
1985. 3−1987. 7, 北京师范大学低能核物理研究所,获博士学位。
D. 主要工作经历:
1987.10−1989. 9, Texas Center for Superconductivity at University of Houston, USA, 做博士后研究工作;
1989. 9−1990. 6, 北京师范大学物理系讲师;
1990. 7−1994. 6, 北京师范大学物理系副教授;
1992. 1−1994. 1, International Centre for Theoretical Physics at Trieste, Italy, Research Fellow;
1994. 7−至今, 北京师范大学物理系教授;
1995. 5−至今, 北京师范大学物理系博士研究生导师;
2000. 9−2003. 7, 北京师范大学物理系系主任。
E. 部分学术任(兼)职:
2015. 1−至今, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy和《中国科学: 物理学 力学 天文学》编委会成员(其中2015. 1—2017.12为副主编);
1999. 1−至今, 《物理学报》和Chinese Physics 编委会成员;
2012. 10−至今, 中国科学院物理研究所学术委员会委员;
2012. 06−至今, 中国科学院理论物理研究所战略与发展委员会委员。
F. 综述文章:
Shiping Feng, Yu Lan, Huaisong Zhao, Lulin Kuang, Ling Qin, and Xixiao Ma, Kinetic energy driven superconductivity in cuprate superconductors, Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015). (93 pages)
G. 代表性论文:
  1. Shiping Feng, Yu Lan, Huaisong Zhao, Lulin Kuang, Ling Qin, and Xixiao Ma, Kinetic energy driven superconductivity in cuprate superconductors, Int. J. Mod. Phys. B29, 1530009 (2015). Review article
  2. Yiqun Liu, Yingping Mou, and Shiping Feng, Doping dependence of electromagnetic response in cuprate superconductors, J. Supercond. Nov. Magn. 33, 69-79 (2020).
  3. Shiping Feng, Deheng Gao, and Huaisong Zhao, Charge order driven by Fermi-arc instability and its connection with pseudogap in cuprate superconductors, Phil. Mag. 96, 1245-1262 (2016); Deheng Gao, Yiqun Liu, Huaisong Zhao, Yingping Mou, and Shiping Feng, Interplay between charge order and superconductivity in cuprate superconductors, Physica C 551, 72-81 (2018); Yiqun Liu, Yu Lan, Yingping Mou, and Shiping Feng, Renormalization of electrons in bilayer cuprate superconductors, Physica C 576, 1353661 (2020).
  4. Lulin Kuang, Yu Lan, and Shiping Feng, Dynamical spin response in cuprate superconductors from low-energy to high-energy, J. Magn. Magn. Mater. 374, 624-633 (2015).
  5. Shiping Feng, Lulin Kuang, and Huaisong Zhao, Electronic structure of cuprate superconductors in a full charge-spinrecombination scheme, Physica C517, 5-15 (2015).
  6. Shiping Feng, Huaisong Zhao, and Zheyu Huang, Two gaps with one energy scale in cuprate superconductors, Phys. Rev. B85, 054509 (2012); Shiping Feng, Huaisong Zhao, and Zheyu Huang, Publisher's Note: Two gaps with one energy scale in cuprate superconductors [Phys. Rev. B 85, 054509 (2012)], Phys. Rev. B 85, 099902 (2012).
  7. Shiping Feng, Tianxing Ma, and Huaiming Guo, Magnetic nature of superconductivity in doped cuprates, Physica C436, 14-24 (2006).
  8. Shiping Feng, Jihong Qin, and Tianxing Ma, A gauge invariant dressed holon and spinon description of the normal-state of underdoped cuprates, J. Phys. Condensed Matter, 16, 343-359 (2004).
  9. Shiping Feng, Kinetic energy driven superconductivity in doped cuprates, Phys. Rev. B68, 184501-1-7 (2003).
  10. Shiping Feng, Z. B. Su,, and L.Yu, Fermion-spin transformation to implement the charge-spin separation, Phys. Rev. B49, 2368 (1994).
H. 历年来发表的主要论文:
2020; 2019; 2018; 2017; 2016; 2015; 2014; 2013; 2012; 2011; 2010; 2009; 2008; 2007; 2006; 2005; 2004; 2003; 2002; 2001;
2000; 1999; 1998; 1997; 1996; 1995; 1994; 1993; 1992; 1990; 1989; 1988; 1987; 1986            
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