若干铋基材料的拓扑物性研究

Topological quantum states, containing topological insulating states and topological semi-metallic states, have attracted much attention due to their significance in basic research and practical application. Considering that the materials now available of most topological states are still not ideal, it is urgent to design and find out the more and better materials. At the same time, there are many unknown topological states waiting for us to explore. Bismuth is the element that has the largest strength of spin-orbit coupling in the periodic table except the radioactive elements. It is expected that the topological states are more remarkable in the Bi-based materials. In this project, we mainly focus on weak topological insulators, Weyl semi-metals, quantum spin Hall states, quantum anomalous Hall states and so on. We strive to achieve key breakthroughs in the study of the topological properties of the materials containing Bi element, and design and find out the materials with excellent performance and new topological states, which will inspire and guide the next stage experiments and application research. With the support of this project, we will try our best to gain the original scientific discoveries in predicting new topological states and materials.

拓扑量子态包含了拓扑绝缘态和拓扑半金属态，因其在基础研究以及实际应用方面具有重大意义而备受关注。考虑到现有的大多数拓扑态的材料体系仍不够理想，迫切需要设计发掘更多更好的材料体系。同时，也还有很多未知的拓扑态等待我们去探索。铋是在周期表中除了放射性元素外具有最大自旋轨道耦合强度的元素，可以期待在铋基材料中拓扑量子态可以更加显著的展现出来。本项目主要关注弱拓扑绝缘体、Weyl半金属、量子自旋霍尔态以及量子反常霍尔态等，力求在包含具有铋元素的材料体系的拓扑物性研究中实现关键性突破，设计寻找出性能优异的材料体系以及新型拓扑量子态，并进行相关物性调控，启发和指引进一步实验以及应用研究。在本项目的资助下，争取在预测新型拓扑态以及拓扑材料方面取得原创性科学发现。

我们围绕着若干铋基材料等新型量子材料的奇异物性展开研究，在本自然科学基金面上项目的有力支持下，取得了以下三个方面的研究成果:一、拓扑半金属研究。预言了非点式对称性保护的沙漏型铋基拓扑金属材料Ag2BiO3；提出了自旋零带隙节线半金属的概念并给出了一系列真实的候选材料；研究了镜面对称性保护的多重节线半金属以及材料实现；理论发现了一种“翻线戏”狄拉克半金属并运用到二维硼烯和硼烷中；基于第一性原理计算和对称性分析，我们发现铅酸电池阳极材料(即α-PbO2 和β-PbO2)具有节线半金属的特性；我们理论预言了二维新型五角形第四主族与硫族二元化合物，即p-IVX2(X=C, Si, Ge, Sn, Pb)，具有节线半金属和宽带隙量子自旋霍尔效应的特征。二、高阶拓扑物态研究。提出了两种实现高阶拓扑绝缘体的机制，并且预测了三类总计十六种不同的二维二阶拓扑绝缘体；发现单层和多层的2H相渡金属二硫族化合物(TMDs)一阶拓扑平庸，但是二阶拓扑非平庸，并且是一个很好的实现二维二阶拓扑态的材料体系，因其室温下的稳定性和大的体能隙(最大 1.8 eV)；研究了把二维拓扑绝缘体放在具有 s+- 配对对称性的铁基超导体上的复合体系，发现了在四个顶点处分别出现了一对 Majorana Kramers 局域态，对应所谓的高阶拓扑超导体。三、小转角/魔角石墨烯新奇物性研究。我们针对新近发现的魔角双层石墨烯中的非常规超导现象提出了交换自旋密度波涨落机制，并指出在半填充附近实验观测到的关联绝缘态是非共面的手征自旋密度波且具有非零的 Chern 数，同时提出实验上观测到的超导是具有 d+id 配对对称性的拓扑超导；通过高分辨的扫描隧道显微镜/谱观测发现在转角为1.49度的非魔角双层石墨烯体系中源于 van Hove 峰附近电子相互作用驱动的自旋-能谷极化的新颖金属态；发展了一种方法可以对任意几层转角石墨烯系统构造简单的低能有效模型，我们同时开源了相关软件包。