基于C3对称性的二维非狄拉克型拓扑量子态材料的理论研究

As a kind of novel quantum matter state, two-dimensional (2D) topological state has become a research hotspot in the field of condensed matter physics in recent years. Currently, the Kane-Mele model based on the linear Dirac band dispersions and the BHZ model based on the band inversion mechanism are the two prevailing theoretical models for the research and design of 2D topological quantum materials. However, recent theoretical studies (including the applicant’s research work) show that the spin-orbit coupling induced gap around the degenerate Γ point with quadratic non-Dirac band dispersions is also the topologically nontrivial state, which provide a new idea for the search and design of 2D topological quantum materials. Thus, in this project, we will focus on the material systems with the C3 symmetry based on the 2D atomic lattice and their heterostructures to search and design new 2D non-Dirac topological quantum materials by using the methods of density functional theory calculations combined with the theoretical model analysis. The study of this project will provide experimental candidate materials and theoretical basis for the research of new two-dimensional non-Dirac topological materials.

作为一种新颖的量子物质态，二维拓扑态近年来已成为凝聚态物理领域的研究热点。基于线性狄拉克能带的Kane-Mele模型和能带反转的BHZ模型是目前两种常用的研究和设计二维拓扑量子态材料的理论模型。然而最近理论研究(包括申请人的研究工作)发现自旋轨道耦合在具有C3对称性的二次非狄拉克型的能带简并点Γ周围打开的能隙也是拓扑非平庸的，这为二维拓扑材料的寻找和设计提供了新的思路。据此，本项目将在具有C3对称性的二维原子晶格及其异质结材料体系中，采用密度泛函理论计算和模型分析相结合的方法寻找和设计新型的二维非狄拉克拓扑量子态材料。本项目的研究将为新型二维非狄拉克拓扑材料的研究提供实验候选材料及理论基础。

近年来，拓扑量子态的研究已经发展成为了凝聚态物理领域的研究热点。基于二次非狄拉克型能带实现拓扑量子态是一类重要的拓扑机制模型，其区别于常见的基于线性狄拉克能带的Kane-Mele模型和能带反转的BHZ模型。本项目对基于C3对称性的二维非狄拉克型拓扑量子态材料开展了系统的理论研究。我们采用第一性原理计算和模型分析相结合的方法研究了多种具有C3对称性的二维材料的电子结构、磁性、及拓扑特性，并且在相关新型二维材料体系中预言了非狄拉克型拓扑量子态。本项目的主要研究内容包括：（1）研究了单层MoX3 (X=Cl, Br, I)的电子结构、磁性、及拓扑特性，发现单层MoI3和拉伸应变MoCl3和MoBr3是新型双极铁磁半导体，另外在载流子掺杂单层MoI3和拉伸应变MoBr3中可以实现室温半金属态，同时发现单层MoX3可实现非狄拉克型和狄拉克型量子反常霍尔态；（2）研究了单层三卤化锆的电子结构、磁性、及拓扑特性，发现单层ZrCl3、ZrBr3和ZrI3都处于铁磁态，能带计算表明在包括自旋轨道耦合（SOC）之前，单层ZrCl3费米能级附近的Γ点处出现了完全自旋极化的二次非狄拉克型能带简并点，考虑SOC后，在Γ点周围打开了能隙，表明在单层ZrCl3中实现了非狄拉克型量子反常霍尔效应，另外，构建了基于多重d轨道的kp模型哈密顿量来解释该材料体系中实现的非狄拉克型拓扑量子态；（3）研究了二维单层NiAl2S4的电子结构、磁性、及拓扑特性，发现本征的单层NiAl2S4处于非共线1200-反铁磁态，单层NiAl2S4可通过空穴掺杂被调控到高居里温度的半金属态，在掺杂浓度为1.0空穴/原胞的拉伸应变单层NiAl2S4中，可以实现由非狄拉克型和狄拉克型拓扑态之间的相长耦合效应诱导的高陈数量子反常霍尔效应，另外，构建了基于多轨道基组的起伏状二维蜂窝状六角晶格的紧束缚模型，解释了该材料体系中的有趣能带结构及其高陈数量子反常霍尔态的拓扑机制来源。该项目预言了新型的二维非狄拉克型拓扑量子态材料并构建了相关的理论模型，研究成果对二维非狄拉克型拓扑量子态材料的设计及搜寻具有理论指导意义。