拓扑节线半金属的材料设计与研究

Due to the node-line band structure and two-dimensional surface flat band, topological node-line semimetals exhibit novel topological properties, making them a hot topic in the field of condensed matter. However, most of the theoretical predictions of topological node-line semimetals have trivial Fermi surface, and are unstable under spin-orbit coupling, which greatly blocks the research of experiment and development of application. Therefore, the key problem for further studying of topological node-line semimetals is searching for the topological node-line semimetals which have the ideal band structure and are robust under the spin-orbit coupling. In this project, based on the first-principles calculation, we intends to design and search for the topological node-line semimetal with ideal band structure and being robust under the spin-orbit coupling. By using the symmetry analysis method, we study the new symmetry protection mechanism of topological node-line semimetal. Combing first-principles calculation and coherent potential approximation method, we will study how does the surface disorder affect the surface state of topological node-line semimetal. Based on the above research, we will provide some theoretical insights for the further experimental research.

拓扑节线半金属因具有特殊的能带结构和二维表面平带而表现出新奇的拓扑性质，使得其成为凝聚态领域的一个研究热点。但是目前大多数理论预言的拓扑节线半金属材料存在节线远离费米能级、具有其他平庸的费米面、自旋轨道耦合下不稳定等问题，极大的阻碍了拓扑节线半金属的实验研究和应用发展。因此寻找具有理想能带结构以及在自旋轨道耦合相互作用下稳定存在的拓扑节线半金属材料是进一步研究拓扑节线半金属的关键。本项目基于第一性原理计算方法，拟设计和搜索在自旋轨道耦合相互作用下稳定存在且理想的拓扑节线半金属材料；利用对称性分析方法，研究拓扑节线半金属新的对称性保护机制；结合相干势近似方法研究无序对于拓扑节线半金属表面态的影响。本项目旨在理论研究具有简单结构、环境友好、电子结构理想的拓扑节线半金属材料和新的对称性保护机制，为进一步的实验研究提供理论参考依据。

拓扑节线半金属由于存在能带交线，具有独特的光学、输运等性质，一直是拓扑领域的一个重要课题。本项目主要研究目标是通过对称性分析结合第一性原理计算搜索设计拓扑节线半金属，研究拓扑节线半金属的物性。主要研究进展包括：1）从对称性出发，详细分析了230个空间群中可能存在拓扑节线半金属的空间群，把搜索范围缩小至39个空间群。仔细研究了拓扑节线半金属CaTe同家族材料MTe（M=Ca,Ba,Sr）材料在压力下的结构相变和拓扑相变。2）通过第一性原理计算，研究了第二类Weyl半金属WP2的电子结构，Weyl点的位置，表面态的形状，以及光吸收等物性。计算结果与实验符合的非常好。3）基于非平衡格林函数，我们完成输运程序的编写，并计算了二维Dirac半金属石墨烯的电导以及衬底氮化硼对其输运性质的影响。在项目执行过程中，项目负责人发表一作论文3篇，通讯论文3篇，其他作者论文3篇，共计发表9篇SCI论文。参加国内外重要学术会议8次。