密度泛函理论结合动力学平均场方法研究Ce基重费米子材料的电子结构

Cerium-based heavy fermion materials exhibit many intriguing properties and have attracted many attentions. How to understand their properties via first-principles calculations poses a great challenge to the condensed matter physics. In this proposal, we would like to combine the density functional theory (DFT) and the dynamical mean-field theory (DMFT), to investigate the electronic structures and related properties of some selected cerium-based heavy fermion materials (such as CeRhIn5, CeNiSn, and CeSb). We will try to answer the following questions: (1) Will the 4f localized-itinerant transition occur in CeRhIn5 when the temperature is decreased? (2) What’s the underlying mechanism for the anisotropic band gap of CeNiSn? Is its surface state topological non-trivial? (3) What are the temperature and pressure effects on the heavy fermions and Weyl fermions in CeSb? Besides, this project will examine the ability of DFT + DMFT method to correctly describe the electronic structures of complex materials. Future theoretical investigations concerning the fundamental properties of other heavy fermion materials will benefit from this project.

Ce基重费米子展示了许多新奇的量子物理特性，长期以来备受关注。如何通过第一性原理计算理解Ce基重费米子材料的基础物性一直是凝聚态物理领域亟待解决的难点。本项目拟结合密度泛函理论(DFT)与动力学平均场方法(DMFT)，对若干典型的Ce基重费米子材料(CeRhIn5、CeNiSn、CeSb)的电子结构以及相关物性开展系统的研究。本项目将对如下重要的科学问题作出解答：(1) CeRhIn5中的4f电子是否会随着温度的降低而发生局域-离域转变? (2) CeNiSn的各向异性能隙的形成机制是什么?它是否具有非平庸的拓扑表面态? (3) 在温度、压力等参数的调控下，CeSb的重费米子态与Weyl费米子态将会如何演化?除此之外，本项目还将检验DFT+DMFT方法对于复杂体系电子结构的描述能力，为后续开展其它重费米子材料的基础物性的理论计算奠定基础。

铈基重费米子材料具有丰富的物理性质，这些特性与其电子结构紧密相关，极易为温度、压力、磁场和化学掺杂所调控，因而是研究凝聚态物理问题的理想体系之一。其中f电子间的强关联特性和局域-巡游双重特性是重要的科学问题。本项目采用密度泛函理论结合动力学平均场方法系统研究了铈基重费米子材料，金属铈和少数5f电子体系的电子结构，获得了动量分辨的谱函数，电子态密度，杂化函数，电子组态分布和自能函数，探讨了化学压力驱动下4f电子的局域-巡游交叉转变和价态涨落。不仅阐释了实验结果，而且加深了对4f电子体系的认识，拓展了计算方法的研究范围，为后续锕系材料的理论研究奠定基础。.主要完成了以下三方面的工作：.(1) Ce基重费米子“122化合物”CeM2Si2(M=Ru, Rh, Pd和Ag)的电子结构研究不仅成功重复出实验光电子能谱，而且探讨了4f电子的强关联特性和价态涨落，预言了化学压力驱动下4f电子巡游-局域交叉转变，并且阐释了转变机制。.(2) 金属Ce的四个常压相(α，β，γ，δ)和金属Ce的三个高压相(α’, α’’和ε)的电子结构研究定量刻画了4f电子的强关联特性，结果表明压下4f电子在高压下的巡游性增强，这些内容为构建金属Ce的电子结构统一图像提供参考。.(3) 拓展研究了3d电子(FeGe)和5f电子体系(URu2Si2，USb，Pu，Cf，Cm，CmO2)的电子结构，探讨了4f电子和5f电子的异同。本课题共发表论文12篇，包括Phys. Rev. B 9篇，J. Phys.: Condens. Matter 3篇。在理论方面取得了较大进展，基本完成了课题目标，为未来进一步的理论探索和实验研究奠定了基础。