拓扑半金属材料物性的理论研究

Due to the observation of topological semimetal in experiment in 2014, topological semimetal (TS) has drawn lots of attentions in the fields of condensed matter physics and materials, and has become one of the research focuses. TS has a topological nontrivial energy band, and thus its properties are fundamentally different from that of the normal metal. Meanwhile, because of the linear dispersion, TS could be viewed as a kind of relativistic electron system, i.e. “three dimensional graphene”, which has great potential in future device application. In this project, according to the recent progress of TS, we propose to theoretically investigate the following problems in TS system: (1) the transport properties in TS material; (2) the superconductivity in TS system; (3) the magnetism in TS; (4) the correlation effect in TS and related quantum phase transition. We believe that our studies will not only give a comprehensive understanding about TS, but also may offer a route map for the application of TS.

随着拓扑半金属材料在2014年被实验证实， 拓扑半金属材料的相关研究受到了凝聚态物理和材料领域的广泛关注，已经成为最近相关领域的研究焦点。拓扑半金属有拓扑非平庸的能带结构，其物性和普通金属完全不同。同时，其线性色散关系又使得拓扑半金属成为一种相对论性的Dirac电子系统，被认为是“三维石墨烯”， 在器件应用方面有巨大的潜在应用价值。申请人基于在拓扑绝缘体和石墨烯等相关领域多年的理论研究积累，计划结合具体实验和材料，在以下四个方面深入系统的研究拓扑半金属材料的物性：（1）拓扑半金属材料中输运相关的问题；（2）拓扑半金属中超导相关的问题；（3）拓扑半金属中的磁性相关问题；（4）拓扑半金属中的关联效应以及相关的拓扑量子相变。这些都是拓扑半金属中关键的理论问题，和实验联系紧密。我们希望通过本项目的研究，不仅能够对拓扑半金属物性有深入的理解，同时为拓扑半金属可能的应用打好理论基础。

拓扑半金属材料的体内电子具有线性色散关系，表面上存在费米弧表面态，在2014年被实验证实。由于独特的拓扑非平庸能带结构，拓扑半金属材料拥有很多不同于普通金属和拓扑绝缘体的新奇物性，可能在基础物理研究和器件应用方面有重大价值。本项目基于拓扑半金属的具体材料体系、具体模型、具体实验，针对拓扑半金属的输运性质、超导相关的性质、磁性相关问题以及关联效应引起的拓扑量子相变这四个方面的重要物理问题，利用解析推导、数值计算等方法进行了深入和详细的理论研究。基于本项目研究，我们取得了以下成果：（1）在课题内容研究方面，我们发现了一系列拓扑半金属带来的新奇现象和特殊物性。例如：狄拉克半金属对数周期振荡与离散标度不变性、外尔半金属拓扑Imbert-Fedorov位移、外尔半金属费米弧引起的三维量子霍尔效应、倾斜外尔半金属正比于磁场B的平面霍尔效应、外尔半金属金属绝缘体相变奇异相图等。通过这些代表性研究、得到了无序、外加磁场电场、相互作用、超导、磁性、能带拓扑引起拓扑半金属新现象的微观机制，以及这些因素调控拓扑半金属诸多物性的一般规律，支持和指导了相关实验。(2)受项目资助，累计发表SCI论文77篇（9篇为国产期刊论文，含1篇已经接收），其中Phys. Rev. Lett. 14篇、Phys. Rev. X 3篇、Science 1篇、Science Advances 2篇、 Nature Materials 1篇、Nature Communications 4篇、National Science Review 2篇、Science Bulletin 1篇、Science China (SCPMA) 4篇、 Phys. Rev A/B共计36篇。（3）在人才培养方面，项目骨干成员2人分别于2018年、2020年获得基金委优秀青年基金资助、1人晋升为正教授。共计培养博士后8人，已出站3人；直接培养研究生27人，其中8人已获得博士学位、5人获得了硕士学位。总而言之：我们通过本项研究，取得了若干国际上有影响力的优秀成果，解决了一些拓扑半金属领域内重要基础性问题，并培养了一批后备人才，超额保质地完成了计划书预定的目标和任务。