拓扑半金属中的新奇物理现象及输运性质研究

The research on topological semimetal is one of the frontier issues in condensed-matter physics. The first part of this project contains research on the physics of type-III and IV Weyl fermions which are proposed recently, exploring the way of understanding those new types of Weyl fermions from a microscopic view and studying novel phenomena of this systems. The second part of this project is to study the four-dimensional Weyl semimetal by using optical lattice and parameter space in ultracold atoms, propose the scenario of detecting topological properties of Weyl fermions in four dimension. The physics of second Chern number can also be studied in this artificial system. The third part of this project is to study emergent electromagnetic induction in nodal line topological semimetals and collective excitation by random-phase approximation. In the last part of this project, we will study the superconductivity and electronic transport of nodal line semimetals.

拓扑半金属的研究是近年来凝聚态物理学研究的热点课题之一。本项目第一部分研究计划包括对最近刚提出的第三类和第四类外尔费米子物理性质的研究，探索从更为微观的层次理解这两类外尔费米子的途径，研究这两类外尔费米子的新奇物理现象。本项目第二部分拟在冷原子体系用光晶格和参数空间的维度把对外尔费米子的研究从三维推广到四维，设计冷原子模拟的实验方案，研究四维下外尔费米子的拓扑性质，并且在这个体系中研究第二类陈数的物理性质，提出实验检验的方案。本课题第三部分拟研究线形节点的拓扑半金属体系在外加交变场下衍生的电磁感应效应，并且利用无规相近似研究该体系的集体激发效应。最后，我们还将在本课题中研究线形节点拓扑半金属的超导以及电子输运的性质。

自从外尔半金属被发现之后，对称保护的拓扑体系的研究已经涵盖了高阶拓扑绝缘体，拓扑半金属以及节线型拓扑半金属。本项目针对拓扑半金属及其物理性质进行了深入系统的研究，已经发表了6篇论文，包括1篇PRL，PRA和PRB各2篇，1篇SR。此外，还有2篇在投稿中，其原文已经在arxiv上给出。.(1)我们在研究中发现在相同的对称性下体态的拓扑性质不能完全反映边缘态的性质。在保持时间反演和空间反演的联合对称性下，我们发现了一种新型的三维拓扑半金属，其费米面为两个节线形的环，其表面态为绝缘体，但是在体系的棱上存在连接两个节线形环的费米弧。这个工作发表在PRL上，被编辑推荐，并被Physics撰文报道。.(2)我们研究了四维拓扑半金属体系中的张量磁单极子，给出了四维张量磁单极子的拓扑性质以及输运性质，提出了通过冷原子实验模拟并检测张量磁单极子的实验方案，该工作发表在PRA上。.(3)由于手征边缘态在量子信息处理中具有重要的作用，在本项目的资助下，我们研究了利用二维拓扑绝缘和铁磁异质结制备手征边缘态。通过研究手征边缘态的输运性质，我们发现制备的手征边缘态的输运性质完全不受杂质影响。基于我们的理论，我们提出了具体的实验材料体系，该工作发表在PRB上。.(4)另外，我们还研究了具有长程序参量的拓扑超导体，利用自旋轨道耦合的一维纳米线和s波超导耦合，我们提出了新的邻近效应机制，得到了在弱耦合极限下具有长程序参量，解释了一些与强耦合极限区别的邻近效应实验，研究了长程序参量对拓扑超导体拓扑性质的影响，工作发表在PRB上。.(5)我们研究了相互作用下外尔半金属和节线形半金属中准粒子的性质，工作发表在SR上。.(6)最后一个已经发表的工作是利用一维拓扑体系边缘态设计量子计算的，成果发表在PRA。.(7)还有两个工作分别是关于四维节线形拓扑半金属和空间群投影表示下的拓扑体系的，其原文均已经在arxiv上给出。