轻元素材料中拓扑半金属的研究

Due to novel, abundant physical properties and great application potential, topological semimetals, following topological insulators, have become one of the hot research topics in condensed-matter physics and materials science. Topological semimetals are different from topological insulators which need strong spin-orbit coupling to induce non-trivial band gaps, they can also be realized in spinless systems like light-element materials. Besides, to acquire some new fermions beyond Dirac-Weyl paradigm (for instance, triply-degenerate fermion) in condensed-matter solid materials have also received a lot of research interests recently. The main purposes of this project are studying novel topological classifications of topological semimetals in light-element materials and the difference and correlations of symmetry constraints on the triply-degenerate fermions in light-element materials and heavy-element materials. Through the systematic analysis and studies, not only this project can enhance our understanding of topological semimetals and triply-degenerate fermion systems, but also can provide better theoretical guidance and materials foundation for experimental researches, and push forward the developments in the topological semimetals fields further.

因为新奇而丰富的物理性质及广阔的应用前景，拓扑半金属成为继拓扑绝缘体之后又一广受凝聚态物理和材料科学关注的研究热点之一。拓扑半金属不同于拓扑绝缘体需要强的自旋轨道耦合作用以打开非平庸的带隙，其在像轻元素材料这类无自旋轨道耦合作用的体系中也可以实现。另外，在凝聚态固体材料中实现超出Dirac-Weyl范式的其他类型的费米子（比如，三重简并费米子），最近也引起了人们极大的研究兴趣。本项目拟重点探究轻元素材料中拓扑半金属新的拓扑分类以及三重简并费米子在轻元素材料和重元素材料中出现的对称性要求的区别和联系。通过系统的分析和研究，本项目不但可以进一步深化对拓扑半金属和三重简并费米子体系的理解，还可以为实验研究提供更好的理论指导和材料基础，以推动拓扑半金属领域的进一步发展。

拓扑材料是过去十多年来凝聚态和材料科学领域研究的热点之一，过去人们主要关注的是重元素材料中的拓扑性质，希望强自旋轨道耦合作用能带来足够明显的拓扑效应，而本项目的主要研究内容则集中在研究轻元素材料中可能存在的拓扑半金属性质，因为自旋轨道耦合作用在拓扑半金属中不一定是必要的。通过第一性原理计算，我们在三维的碳网络和三维的硼材料中发现了新型的费米子，也在二维的氧化硼中发现了可以在应力作用下发生拓扑变化的节点环半金属；此外，我们也初步研究了二维和三维的拓扑半金属做为锂离子电池负极材料的性能，发现拓扑半金属可能是极好的电池电极材料；另外，我们也对三维碳材料中可能出现的磁性做了初步研究。我们的研究不但揭示了轻元素材料中可能蕴藏的丰富的拓扑半金属性质，也展示了轻元素材料中可能存在的各种各样的物理化学性质。