拓扑半金属材料的电子结构及物性的理论研究

Due to their novel topological properties, rich physical phenomena and high application potential, topological semimetals have soon become the focus of extensive research in condensed matter physics and material science for the past few years. So far several theoretical predictions of topological semimetal have been verified experimentally. However, the electronic structures and physical properties of these materials are still far from being fully studied; and real topological semimetal materials are still lacking. And to achieve practical device applications, people need to fully understand the nature of the properties of such materials and grasp the way to tune them. In this project, we propose to investigate the effect of local defects, doping induced topological phase transition, surface reconstruction and chemisorption on the electronic and topological properties of topological semimetal materials, and explore manipulation and modification of their properties and the underlying mechanism. Meanwhile, we will develop an efficient theoretical method to determine the topological properties of semimetal materials. Based on this method, we will find and predict some new topological semimetal materials, and provide useful guidance for further experimental studies. Through this research project, we will demonstrate the connection between the microstructures and physical properties of topological semimetals, find out fundamental laws of affecting their electronic structures and topological properties, and further design new electronic devices based on topological semimetal materials.

因其新奇的拓扑性质、丰富的物理内涵及广阔的应用前景，拓扑半金属材料成为当前凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。一些拓扑半金属材料的理论预言已被实验证实。然而，目前人们对这些材料的电子结构和物性还缺乏深入的研究，已知的拓扑半金属材料种类也还很不丰富。要实现实际的器件应用，人们还需要全面了解并掌握这类材料的性质及调控手段。本项目中，我们将研究局域缺陷/掺杂、表面重构和化学吸附等对拓扑半金属相关材料电子性质及拓扑物性的影响，揭示调控和改善材料性能的途径和方法。同时，我们将发展快速确定半金属材料拓扑性质的理论计算方法，并以此为基础寻找和预测新型拓扑半金属材料，并为下一步实验研究提供理论指导。通过上述问题的研究，我们将全面认识拓扑半金属体系中的微观结构特征与其物理性质的关联，找出影响其电子结构和拓扑性质的一些基本规律，并进一步提出基于拓扑半金属材料的新型电子学器件原理。

拓扑半金属材料具有新奇的拓扑性质和丰富的物理内涵，但已知的拓扑半金属材料种类还不丰富，其独特物性及其调控的物理机制仍有待深入探索。本课题系统地开展理论研究和计算工作，探索拓扑半金属体系的电子结构、拓扑物性和调控机制，预测和寻找新型拓扑半金属材料并设计相关器件。课题取得的主要学术进展包括：1）发展了基于第一性原理的贝里相位相关物理性质的计算方法（包括基于Wannier函数对布里渊区的任意k点插值的方法和基于非正交轨道的计算方法），编写了相应的计算软件，可用于快速确定材料的拓扑性质和寻找新型拓扑半金属材料。2）计算预测了一系列的新奇拓扑半金属相及其可能的材料实现，包括六角LiZnBi晶格中的拓扑狄拉克半金属相、赝狄拉克球面半金属、节柔性面拓扑半金属等；提出一种通过狄拉克节点面费米子的集体激发来产生的基于半金属材料（拓扑电子化合物中）的反常狄拉克等离激元；推广探索了声子体系的拓扑量子态。3）与实验组密切合作，在PtTe2材料中证实了第二类狄拉克费米子的存在，揭示了压力下第二类狄拉克半金属PtTe2的Lifshitz转变及其物理机制。4）深入探索了外电场、磁场、应力和尺寸效应对拓扑半金属等拓扑物态的影响和调控机制：发现非点式对称性保护的漏斗形费米子的自旋结构和拓扑性质可通过尺寸效应和外加电场加以调控；揭示了磁场下费米面波函数的量子振荡与拓扑性质，指出量子振荡的初始相位π不是狄拉克半金属的决定性证据；给出了近简并轨道的朗道量子化条件和朗道能级交叉的全对称性分类，揭示轨道磁矩和非阿贝尔的贝里相位的重要作用；计算预测了可能的内禀磁性拓扑材料，揭示磁性和拓扑耦合产生的新型拓扑相及其相变的磁性调控机制。