拓扑半金属的理论和计算研究

Topological semimetals (TSMs) have attracted increasing interest due to their exotic properties and great applications, which become an important condensed matter frontier for the reason of both the fundamental physics and technology applications. Based on our previous works, this program will continue to proceed the basic theory and material exploring of the TSMs. By means of the first-principles calculations, we intend to devise some new proposals and new TSMs, including Dirac semimetal, Weyl semimetal, Node-line semimetal and New fermions semimetal. Furthermore, the effective model and fundamental physics of the TSMs, especially the New fermions semimetal, will also be developed. One goal of this program is to find 3-5 TSM candidates, especially the practical one with good topological quality and stable structure, which will provide good platforms for experiments and device design. The other goal is to study the fundamental theory and physical properties of the TSMs using the effective models. Such studies could acquire some distinctive original achievements, and deepen the understanding of the topological electronic states. More than 12 high quality papers will be published in the international journals, including 2-3 topmost works in PRL or Nature Series etc.

拓扑半金属因其丰富的电子物性和巨大的应用价值，得到了凝聚态物理界的广泛关注，并发展成为一个在基础物理和技术应用两方面均具有重要意义的前沿研究领域。基于申请人之前的工作基础，本项目将继续开展拓扑半金属的理论和计算研究；通过第一性原理计算和理论分析，提供拓扑半金属的新方案，寻找和设计新的拓扑半金属材料，包括狄拉克半金属、外尔半金属、节点线半金属和新费米子半金属；开展磁性新费米子半金属相关的理论研究。研究目标是找到3-5种结构稳定、性质优良、易于应用的拓扑半金属候选材料，为实验研究和器件开发提供重要的材料平台和理论支撑；拓展对拓扑半金属的理论认知，揭示与之相关的新奇物理现象；预期能在拓扑电子态领域取得一些国际一流的原创性成果，发表高水平论文12篇以上，其中PRL、Nature子刊等一区文章2-3篇；并在此基础上培养4-6名优秀的硕士生和2-3名优秀的博士生。

拓扑半金属具有独特的低耗散输运、磁电响应等物理性质，在自旋电子器件以及低能耗电子设备等领域有着广阔的应用前景。寻找高品质的拓扑半金属材料是凝聚态物理中的重要目标。本项目基于第一性原理计算和理论分析开展拓扑半金属计算研究，提供设计拓扑半金属的新方案，寻找性质优良的拓扑半金属新材料，调控研究拓扑半金属的物理性质。围绕上述科学目标，项目组积极开展工作，切实保证研究时间，有序推进并顺利完成项目任务书规定的各项目标，取得多项具有重要国际影响力的原创性成果。a)完善了拓扑狄拉克半金属在磁群下的分类工作，找到了2种结构稳定、性质良好的拓扑狄拉克半金属材料，其中层间反铁磁拓扑狄拉克半金属EuCd2As2被实验证实并引起了广泛兴趣，成为了领域内的热门研究对象，被引用达86次；b)预测了1种理想的磁性外尔半金属材料CoCu3(OH)6Cl2，与实验组合作开展了外尔半金属 NbIrTe4的压力调控研究；c)从计算和QPI电子结构表征两方面确认了节点线半金属ZrSiTe中节点线的存在和分布，并开展了节点线半金属态到外尔半金属态的调控研究；d)预测了硅的同素异形体BC8-Si中的一种新费米子半金属态——Luttinger拓扑半金属态；e)揭示了单层反铁磁FeSe薄膜中的脆拓扑能带及其导致的拓扑角态和拓扑边界态；f)与实验组合作研究了Kagome拓扑金属KV3Sb5的拓扑电子结构，揭示了由2×2电荷密度波相变导致的手性电荷序，激发了国际上对AV3Sb5（A = K、Cs、Rb）家族的研究热情，相关工作有两篇入选ESI高被引论文。最后项目组受邀撰写了磁性拓扑半金属的综述文章，梳理了领域的发展动向，受到广泛关注和引用。在本项目的资助下，项目组共发表SCI/EI 收录论文29篇（全部已标注），其中项目成员为（共同）一作或（共同）通讯作者的文章24篇，PRL、Nature子刊等JCR一区文章9篇；培养博士后2人（已出站），研究生11人，其中已毕业博士生3人、硕士生5人。