拓扑绝缘体新材料以及表面物性的第一性原理研究

The newly discovered topological insulators, as novel states of quantum matter, have become a hot topic in the fields of condensed matter physics and material science. In order to eventually achieve their applications on the spintronics and topological quantum computations, the realistic host materials with excellently physical properties are prerequisite. However, the current materials can not meet these needs. The study of topological insulators in next stage should pay more attention to the host materials and also surface related physical problems. In this proposal, based on the current research progress and our previous works, the following issues will be systematically studied using the first-principles calculation. (1) We will explore the X-ray photoelectron induced topological phase transition and search new topological insulators by using this optical approach. (2) We will search two-dimensional topological insulators in the quantum wells and heterostructures by applying various external fields. (3) We will investigate the interplay between the surface reconstructions and nontrivial surface states of topological insulators. (4) We will study the relationship between the three-dimensional strong (weak) topological insulators and two-dimensional topological insulators with zinc-blende and zinc-blende-like crystal structures. Our proposal with these four issues is close to currently experimental progress and actual demands, and will provide good material and theoretical foundations for further development of topological insulators.

最近发现的拓扑绝缘体已经成为凝聚态物理和材料学领域中的研究热点。为实现其在自旋电子学器件和拓扑量子计算等多个方面的应用，找到性能优良的真实宿主材料是首要条件。然而，目前已有的拓扑绝缘体材料还不能满足实际需求。下一个阶段的研究应该重点关注拓扑绝缘体新材料，同时考虑与材料表面相关的实际物理问题。结合当前的研究状况和已有的工作基础，本项目将基于第一性原理计算研究下面几个问题：（1）探索光致拓扑相变的可能性，通过光学手段寻找新型拓扑材料；（2）结合外场调控，在量子阱和异质结中寻找二维拓扑绝缘体；（3）研究拓扑绝缘体表面重构与拓扑表面态之间的内在联系；（4）研究闪锌矿和类闪锌矿结构下的三维强、弱拓扑绝缘体和二维拓扑绝缘体之间的关系。本项目满足当前的研究需求，有望为拓扑绝缘体领域的进一步发展提供材料和理论基础。

最近发现的拓扑绝缘体已经成为凝聚态物理和材料学领域中的研究热点。为实现其在自旋电子学器件和拓扑量子计算等多个方面的应用，找到性能优良的真实宿主材料是首要条件 。然而，目前已有的拓扑绝缘体材料还不能满足实际需求。本项目使用第一性原理方法，围绕着拓扑绝缘体新材料和材料表面（低维系统）相关的实际物理问题展开，主要的研究成果有：（a）研究发现在简单立方半导体（Ge或InSb）中通过X射线可以实现光致非平庸拓扑态，揭示了芯空穴效应与拓扑序之间的内在关系，推广了拓扑材料的选择范围和实现手段；发现单层Bi4Br4是具有0.18eV的大能隙二维拓扑绝缘体，可在远高于室温条件下观察到量子自旋霍尔效应；在BiTeI/Bi2Te3异质结中发现了巨Rashba自旋劈裂态和拓扑表面态共存的非平庸拓扑态，提供了基于非对称异质结设计拓扑自旋电子学器件的新途径。（b）自旋非共线系统有别于传统的铁磁体和反铁磁体，可被看作是一种新型的“拓扑”材料。half-Heusler拓扑绝缘体家族的GdPtBi是一种自旋非共线反铁磁体，由于费米能级附近的Weyl点交叉能带、其反常霍尔角大于所有传统的反铁磁体、且可比于已知的各种铁磁体；研究还发现自旋非共线系统Mn3X (X = Rh, Ir, Pt)具有很大的磁光克尔效应，打破了以往人们对于总磁化强度为零的反铁磁中不可能出现磁光效应的传统认知。研究结果极大地扩展了研究反常霍尔效应和设计磁光器件的材料平台。（c） 二维铁磁材料在自旋电子学器件中具有重要的应用价值。二维材料MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te)、蓝磷和灰砷的价带顶处都具有墨西哥帽子的特征，即带边态密度存在奇点。研究发现只要施加合适的空穴掺杂就可以诱发Stoner铁磁相变，进而建立稳定的铁磁序，这是产生二维铁磁体的有效手段。通过门电压可以调节空穴浓度，进而调节磁光强度，因而这些二维材料中的磁光效应是电可控的。此外，这些二维材料的磁光效应非常大，可以作为二维磁光器件的优异平台。