新型拓扑材料设计与拓扑有序态的基础理论研究

Topological insulator (TI) is a novel material characterized by the non-trivial topological order. It behaves as an insulator in its interior or bulk, while possessing a gapless and Dirac-type metallic surface state in which spin and orbital is locked. With the development of TI, many new topological states are predicted and identified, such as quantized anomalous Hall effect (QAHE), topological metal, magnetic monopole, topological superconductor (TSC) and Majorana fermions. All of them can be classified as the non-trivial topological phenomena and realized in topological materials. As new quantum matter states, many topological phenomena have attracted tremendous interests not only because of their fascinating electronic properties, but also the great valuable applications in future spintronic devices designing and fault-tolerant quantum computers. In this project, we will develop a new universal algorithm to calculate the topological order for both cases with or without time-reversal symmetry. Using this method, we intend to study the evolution of topological order with pressure, magnetic field and element substitution, and further explore the interactions between topological order and other quantum ordered states, such as ferromagnetic state and superconducting. Finally, we will focus on 4d/5d transition metal compounds to find new magnetic topological materials and topological superconductors by first principles calculations.

拓扑绝缘体是一类具有非平庸拓扑性质(Z2)的新型量子材料，其内部绝缘，但在表面上存在着一种无能隙的、自旋与动量锁定的狄拉克型能带结构。近年来，随着对拓扑绝缘体的深入研究，许多新奇的拓扑物性被预言和发现，如量子反常霍尔效应、拓扑金属、磁单极、拓扑超导电性和Majorana费米子等，它们共同够成了庞大的拓扑家族。作为一种全新的量子物态，拓扑材料因其丰富奇特的电子特性以及在未来自旋电子器件和容错量子计算机中的潜在应用价值，在世界范围内取得了快速发展，并成为凝聚态物理中的一个热点领域。本研究项目拟发展一套计算拓扑数的普适性方法；探索压力、磁场、元素替代等对拓扑序的调制，进而深入理解拓扑序与其它量子有序态之间合作与竞争的物理机制；利用不需要人为参数的第一性原理计算，集中研究4d/5d过渡金属化合物，探寻和设计可能的拓扑新材料，为材料合成和实验研究提供理论指导和依据。

拓扑材料是一类具有非平庸拓扑性质的新型量子材料，因其丰富奇特的电子特性以及在未来自旋电子器件和容错量子计算机中的潜在应用价值，在世界范围内取得了快速发展，并成为凝聚态物理中的一个热点领域。本研究项目顺利完成了利用贝里联络和贝里曲率计算陈数和Z2拓扑数的程序开发；深入计算和研究了多种新型拓扑材料；取得了大量具有国际领先水平的科研成果。它们包括：1)，我们提出了一种实现量子反常霍尔效应的新思路，即在两种拓扑平庸的铁磁绝缘体界面上通过合理设计从而诱导能带反转，并最终实现拓扑非平庸的磁性拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应。通过第一性原理计算，我们发现Cr掺杂的Bi2Te3与GdI2的界面完全符合这一设计思想，并在其异质结中实现了特殊的d-p反带，预言了大能隙，高工作温度的量子反常霍尔效应体系。该工作为量子反常霍尔效应的应用和新的电子器件设计指明了新方向。2)，提出了实现拓扑超导的新思路和新材料。我们指出在本身超导的“拓扑金属”表面存在狄拉克型拓扑表面态，通过与体材料的近邻效应，该拓扑表面态上可以形成p+ip的拓扑超导。该工作为实现新的拓扑超导态，探寻Majorana费米子和量子计算提供了新思路和新材料。在本项目的支持下,共发表SCI论文7篇，其中Nano letters 1篇，PRB 2篇，Scientific report 1篇。这些成果丰富了人们对拓扑物质态的认识，扩展了探寻拓扑材料的思路，为材料合成和实验研究提供了重要的理论指导和依据。