拓扑量子材料的新颖电输运、磁电输运性质研究

The topological quantum materials are one of the hot topics in condensed matter physics and materials science societies during past two decades. This project will explore the novel electrical, magnetic and magneto-transport properties of two topological quantum materials (type-II Weyl semimetal Mo1-xWxTe2 and ideal Dirac semimetal Cu2HgSnSe4 and Cu2HgSnTe4 crystals). Three problems will be studied in this project: 1) The negative magnetoresistance resulted from chiral anomaly in Mo1-xWxTe2 crystals, and the relationship between negative magnetoresistance and Fermi energy, the length of Fermi arc; 2) The electric and magneto-transport properties of ideal Dirac semimetals Cu2HgSnSe4 and Cu2HgSnTe4 crystals when the Fermi energy is varied; 3) The anomalous Hall effect, coming from Berry curvature, in Cu2HgSnSe4 and Cu2HgSnTe4 crystals when Fermi energy is varied; the effect of magnetic-/nonmagnetic impurities on carrier mobility of these crystals. Finally, these transport data will be explained by combining material-specific Hamiltonian parameters and linear-response transport theory.

拓扑量子材料是最近20年凝聚态物理、材料物理研究的一个热门课题。本项目拟从电输运、磁性质和磁电输运角度研究二类拓扑量子材料中(第二类外尔半金属Mo1-xWTe2和理想狄拉克半金属Cu2HgSnSe4和Cu2HgSnTe4单晶材料)的新颖输运特性。本项目拟研究如下三个问题：1)第二类外尔半金属Mo1-xWxTe2单晶材料系统中由于手性反常导致的负磁阻效应，该效应与费米能位置、费米弧长度、迁移率的关系；2）理想狄拉克半金属Cu2HgSnSe4和Cu2HgSnTe4单晶材料当费米面位置不同时，电输运、磁电输运性质的表征。3)理想狄拉克半金属Cu2HgSnSe4和Cu2HgSnTe4单晶材料中由于贝利曲率导致的反常霍尔效应，研究该效应与费米面位置的关系；研究磁性/非磁性掺杂对这些材料载流子迁移率的影响。最后结合量子力学第一性原理得出具体材料的哈密顿参数和线性响应输运理论解释上述输运数据。

本项目的目标主要是在理想的三维狄拉克半金属Cu2HgSnSe4中观察本征的狄拉克电子的物理行为，探索拓扑材料其它的新颖物理效应；利用微结构调控提高拓扑半金属材料的物理性质。就这二个方面来看，我们基本上实现了这些目标。.代表性工作包括： 1、理想狄拉克半金属Cu2HgSnSe4。该工作中首先理论上预言Cu2HgSnSe4晶体是一个理想的狄拉克半金属，该材料的导带在0.5电子伏的范围内能量与动量满足线性色散关系。利用角分辨光电能谱和扫描隧穿谱证明了上述的能带特征，然后成功地生长出电子型和空穴型的Cu2HgSnSe4的晶体。当费米能处在导带时，样品显示出狄拉克电子的特征输运行为。该工作的科学意义是找到一种理想的三维狄拉克半金属材料。该工作发表于Phys. Rev.B, 100, 195147 (2019)。2、外尔半金属WP2晶体的非线性光学高次谐波产生。WP2是一个第二类的外尔半金属材料，在太瓦的红外激光的激发下，我们发现了偶数阶和奇数阶的非线性高次谐波的产生，且高达十阶的非线性光学高次谐波发生（波长短至190纳米）。其次通过偏振依赖的高次谐波强度的分析，我们能够提取出WP2的电子能带和贝里曲率的信息。该工作的科学意义是我们首次在外尔半金属材料中发现了非线性高次谐波的产生，高阶的的非线性光学产生能够应用于深紫外光的光刻机的光源，该工作发表在Nature Communications, 12, 6437 (2021)。3、微结构调控弱拓扑绝缘体ZrTe5晶体的热输运性质。我们利用化学气相法成功生长出纳米条状堆垛的ZrTe5晶体，发现这些样品的热导率在0.5 W/mK左右，而完整ZrTe5晶体的热导率是1.5W/mK，理论证明：纳米条状堆垛样品中，纳米条状的微结构引入截止热波长减少了该系统的热导率。该工作的意义是显示出利用微观组织结构的调控能够调制拓扑量子材料的物性。该工作发表于Crystal Growth & Design, 20, 2, 680-687, (2019)。.在这个项目的支持下发表了23篇SCI论文，其中包括1篇Nature Communications, 4篇Phys. Rev. B, 1篇Advanced Functional Materials, 2篇Appl. Phys. Lett。在人才培养方面：分别培养了6名硕士和2名博士研究生。