量子磁电耦合效应的物理机理及其计算研究

在同时破坏空间和时间反演对称性的物质中，磁极化序和电极化序会共存且相互耦合，这种磁电耦合效应可以用来实现磁和电的交互调控，为开发新型多功能器件提供材料基础。多铁材料是典型的代表，但目前发现的许多材料因为极化强度小，转变温度低，磁电耦合效应弱等因素不能满足实际应用需求。最近发现在拓扑绝缘体材料中，由于其能带的特殊拓扑序，在破坏时间反演对称性的微扰作用下，会表现出巨大的磁电耦合效应，这是新一类型的磁电耦合材料。本项目拟开发能精确计算磁电耦合效应的第一性原理程序和方法，全面研究电子（包括其轨道磁化）和晶格在多铁以及拓扑绝缘体材料的磁电耦合效应机理中的不同角色与相互关联，为寻找和设计新型高效的磁电耦合效应材料提供理论指导和依据。

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域正在迅猛发展的热点之一，新理论、新物态、新效应和新材料层出不穷。拓扑绝缘体属于拓扑量子态的一种，它具有独特的磁电耦合响应，耦合系数\theta等于\pi，是用来表征拓扑绝缘体态的拓扑不变量之一。这就为寻找更强，更快的电子－电子磁电耦合材料提供了全新的思路和理论依据。本项目就是想通过开发磁电耦合系数的第一性原理计算方法及程序，来探寻这类磁电耦合的物理机理，并通过广泛的材料搜索，来寻找新型的量子磁电耦合材料，为拓扑材料的应用提供理论依据和物质基础。在本项目的支持下，项目负责人共发表SCI论文22篇，其中Science 1篇，Nature Materials 1篇，Nature Communications 1篇，Phys. Rev. Lett. 2篇，Phys. Rev. X 1篇，受邀综述2篇。主要成果包括：1、开发了一套基于Wannier函数的量子磁电耦合系数计算工具，在实际研究工作中起到了不可或缺的关键作用；2、理论预言了拓扑半金属态及其实现材料，并与实验合作，世界上首次观测到了三维Dirac半金属，验证了自己的理论预言，从而把拓扑量子态从拓扑绝缘体推广到了拓扑金属；3、理论预言了关联效应导致的拓扑Kondo绝缘体SmB6和YbB6，已获得多个实验证实，世界上首次预言拓扑Kondo晶体绝缘体YbB12；4，理论预言了大能隙过渡金属化合物二维拓扑绝缘体ZrTe5和HfTe5。这些研究成果为量子磁电耦合的机理研究和材料设计打下了基础，主要体现在：a，计算理论和方法的进一步验证与完善；b，量子磁电耦合在多个拓扑量子态中的表现和机理；c，量子磁电耦合器件在多种材料中的实现等。因此，本项目的研究计划得到了顺利实施，取得了好于预期的研究成果，并推动了进一步的研究进展，将来后续的重要研究方向包括：1，如何利用含有过渡金属的大能隙二维拓扑绝缘体实现量子磁电耦合？2，如何利用电子关联效应在拓扑Kondo绝缘体和拓扑Kondo晶体绝缘体中实现量子磁电耦合？3，如何利用拓扑半金属态实现量子磁电耦合效应，这是一个全新的思路。