新型拓扑量子材料的电子结构和自旋结构及非平衡态动力学的研究

Topological quantum materials are new materials that harbor topological orders. They are represented by topological orders that reflect the overall wave function of bulk band structure, rather than local order parameters. Due to their exotic electronic structure, topological quantum materials not only bring about revolutionary breakthrough of physical concepts, but also exhibit rich and novel properties, promising great application potential. It is crucial to study the electronic structure, spin structure and non-equilibrium dynamics in order to discover and understand new type of topological quantum materials. On the other hand, it is necessary to modulate and optimize the electronic structure and physical properties of topological quantum materials for application purpose. In this program, we propose to study multi degrees of freedom of new topological quantum materials (energy, momentum, spin, orbital, space, time and dynamics) using spin-, time- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with bulk and film growth. We will also manipulate the electronic structure of new topological quantum materials with external parameters such as temperature, doping, strain, dimension, interface and ultrashort laser pluses, in order to investigate the evolution of the topological quantum phase and optimize the physical properties of topological quantum materials. The applicant focuses on the study of the electronic structure and carrier dynamics in the quantum materials and is qualified for the proposed studies.

拓扑量子材料是指具有拓扑序的一类新材料。这类材料无法用局域的序参量来描述，而需要反映整体能带波函数特性的拓扑序来表示。拓扑量子材料由于其新奇的电子结构，不仅在基础物理理论方面带来了革命性的概念突破，而且表现出丰富的新奇特性，具有极大的应用潜力。对拓扑量子材料的电子结构，自旋结构及其非平衡态动力学进行研究是理解和发现新型拓扑量子材料的关键。而对其电子结构和物理性质进行调控和优化是实现其应用化的必经之路。本项目拟结合体材料生长，薄膜生长，自旋和时间探测的角分辨光电子能谱,从能量，动量，自旋，轨道，空间，时间，动力学等多个维度对新型的拓扑量子材料进行全方面系统化的研究，并利用温度，掺杂，压力，界面，维度，超短脉冲激光等多种手段对拓扑量子材料的电子结构和物理性质进行调控和优化，探索拓扑相随着外部条件的演化规律。项目申请人长期从事量子材料的电子结构及动力学过程的研究，能够胜任本项目申请中的研究内容。

自从二维反常量子霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发现以来，拓扑量子材料的研究就成为凝聚态物理的重要前沿领域。拓扑量子材料目前已经扩展到一大类新奇的量子材料家族，包括拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑Dirac半金属，拓扑Weyl半金属以及拓扑超导体等。这些拓扑量子材料表现出各种新奇的量子物理特性，例如量子反常霍尔效应，拓扑超导，拓扑量子磁电效应等，在新一代电子器件及自旋电子器件中具有巨大的应用潜力。电子结构和自旋结构的测量是实验发现和研究拓扑量子材料的重要手段。本项目聚焦于实验发现和研究各类新奇的拓扑量子材料，主要是对材料的拓扑电子结构及自旋结构进行系统化的研究，并致力于实现其拓扑性质的人工调控，以探索可能的电子学应用。此外，本项目还重点关注拓扑量子材料的非平衡态动力学，利用超快的泵浦-探测手段来研究拓扑量子材料的电子激发-弛豫动力学以及激光诱导的超快相变过程。.在项目执行期间，项目执行人对一系列拓扑量子材料进行了深入的研究，取得的成果包括实验上率先观测到本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的拓扑表面态、拓扑外尔半金属表面费米弧的人工调控、节点线材料IrO2的电子结构实验研究、拓扑超导材料2M-WS2的电子结构及超导性质的研究、经典准一维材料A0.3MoO3（A = K, Rb）的Luttinger liquid相的实验发现、激光诱导的准一维材料中的超快电荷密度波相变等。这些研究不仅极大的加深了对拓扑材料的拓扑电子结构及拓扑物性的理解，而且为进一步实现拓扑电子结构及物性的人工调控提供了实验基础，推进了拓扑量子材料领域的发展。