新型二维层状材料的拓扑量子态研究

Novel two-dimensional layered materials (such as graphene and silicene etc.) and non-trivial band structure systems (like Chern insulators, Z2 topological insulators as well as topological superconductors) are two hotspots in the condensed matter field. Graphene and silicene have drawn numerous attentions due to their unique Dirac fermion behaviors, high mobility, and excellent mechanic properties. Topological quantum states have potential applications of significance in spintronics and topological quantum computation. The project aims at how to combine the advantage of the both with a maximum degree, i.e. in the two-dimensional layered materials how to find and design the explicit material systems and physical paths in or by which the above topological quantum states can be realized environmental friendly and steadily. Specifically, the project includes the following several parts: (1) Study how to discover and design Chern insulators, Z2 topological insulators and other novel topological quantum states with large bulk gaps as well as topological superconductors with high Tc. (2) Research how to tune the electronic properties and transport properties of the above topological quantum states in the two-dimensional layered materials efficiently and accurately via electronic field, magnetic field, photonic field, strain (pseudo-magnetic field), chemical modifications, defects and quantum confinement etc. (3) Discuss deeply the effect of correlation on these topological quantum states when introducing interactions. These efforts will provide the better candidate materials and theoretical guides for the low-power dissipation quantum devices and the fault-tolerant topological quantum computations.

新型二维层状材料（石墨烯、硅烯等）和能带结构非平庸的体系（Chern绝缘体、Z2拓扑绝缘体以及拓扑超导体等）是当前凝聚态领域的两大热点。二维体系如石墨烯、硅烯因具有Dirac电子行为以及优异的物理性能等而倍受关注。拓扑量子态在自旋电子学以及拓扑量子计算有着潜在的重要应用。本项目旨在如何最大限度地结合新型二维材料以及拓扑量子态的优势，即在二维材料体系中找到以及设计出环境友好且易实现上述拓扑量子态的具体物理途径和材料体系。具体如下：研究如何在二维层状材料中找到或设计出具有大的体能隙的Chern绝缘体、Z2拓扑绝缘体和具有较高Tc的拓扑超导体；研究如何有效的利用电场、磁场、光场、应力（赝磁场）、化学修饰、缺陷以及量子限域等手段调控上述拓扑量子态的电子性质和输运性质；探讨引入相互作用，考虑关联效应对这些拓扑量子态的影响。上述研究将为低耗散的量子器件以及容错的拓扑量子计算提供候选材料和理论指导。

对拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等拓扑量子态的研究不仅可以加深人们对物质量子态本质的认识，而且这些拓扑量子态在高可靠性、低耗散的电子器件以及容错的拓扑量子计算中具有重要的潜在应用。另一方面，二维晶格材料以及由此作为构建单元并通过范德瓦尔斯(van der Waals) 力结合形成的三维层状材料由于具有优异的电学、光学、力学和热学等性质，引起了广泛的关注，成为凝聚态领域的明星材料。本项目围绕着二维材料以及层状材料的拓扑量子态的研究展开，在自然科学基金和青年基金的有力支持下，取得了以下三个方面的研究成果：(1) 新型二维拓扑绝缘体材料的研究。我们预言了BiCN是一种新型大带隙的拓扑绝缘体（～1eV），并提出MoS2和h-BN可作为其理想衬底；我们研究了外加电场和应变对锡烯体态的拓扑物性的调控，以及边缘磁性和横向电场对其纳米带边缘态的影响；我们还研究了由硅烯、锗烯、锡烯和h-BN组成的两种垂直型异质结的新奇物性。发现将这两种异质结组合拼接,可以形成两种不同的畴壁：一种具有谷极化的量子自旋霍尔态，另一种具有高陈数的谷极化的界面态；此外，我们还发现在半氢化的Bi膜中通过外磁场调节磁化取向可以得到能谷极化的量子反常霍尔相。(2) 我们提出弱拓扑绝缘体可以在范德瓦尔斯材料－β-Bi4X4(X=Br, I)中实现并可以容易地被实验验证。我们发现在单轴应变下体系会发生拓扑相变，可以得到强拓扑绝缘体或者普通绝缘体。在从弱拓扑绝缘体到强拓扑绝缘体转变的同时如果破缺体系空间反演对称性，会出现一个全新的Weyl半金属相，即在两个解理面上都会出现费米弧，但只在(100)解理面出现费米环，我们称之为复合Weyl半金属。(3) 对量子自旋霍尔绝缘体家族中BiH体系进行n型掺杂，并考虑了包含轨道内和轨道间的库伦相互作用以及Hund耦合的电子之间的关联，我们通过平均场分析，预言该体系是一种时间反演不变的拓扑超导体，其主导的配对形式为(p+ip)↑↑和(p-ip)↓↓。