三重点与狄拉克拓扑半金属的理论研究

Topological semimetals (TSMs) is one of the hottest spot in the condensed matter physics in the recent years, which can be divided into Dirac semimetals (DSMs), Weyl semimetals (WSMs), Nodal-line semimetals and multi-points semimetals. They are new states of quantum matter, which is different from topological insulator. TSMs can be distinguished from each other by the degeneracy and distribution of nodal points. They can be characterized by the appearance of Fermi arcs on the surface connecting two points, as well as the response to the applied magnetic and electric field, such as positive huge magnetoresistance in DSMs and negative magnetoresistance in WSMs, which shows the potential applications in the devices, including magnetic memory, hard drives and magnetic sensors. All the theoretical predications in the TSMs are realized in the limited space groups so far. Thus, there is still much room to search for the new materials with these known TSMs and even beyond them in the materials universe composed of 230 space groups. The project aims at searching for the DSMs and type-B triple point topological metals by performing computational simulations, ranging from ab-initio calculations to model Hamiltonian. The global objective of the current proposal is to provide a better understanding of the relationships between band topology and physical properties, stimulating much interests in the experimental research and promoting the development of topological materials.

拓扑半金属（TSMs）的研究是最近凝聚态物理最为火热的领域之一，它可以分为狄拉克半金属、外尔半金属、节线半金属和多重点半金属。TSMs是一种新的量子态物质，不同于拓扑绝缘体。根据节点的简并度和分布，可以区分几种不同的TSMs。TSMs呈现连接两个节点的费米弧，以及对外部电磁场的反常响应，如狄拉克半金属的巨磁阻现象和外尔半金属的负磁阻现象，这些效应使得TSMs在磁存储、硬盘以及磁传感器方面有着潜在的应用价值。直到目前为止，TSMs仅仅在有限的空间群中被理论预言。因此，在由230个空间群组成的“材料宇宙”中，仍有很大的空间继续寻找TSMs，甚至是新型的TSMs。本项目的主要内容为：基于第一性原理计算和模型哈密顿量方法，寻找狄拉克半金属材料和类型B三重点拓扑金属材料。研究计划的主要目的为：更好地解释能带拓扑性与物理性质的关系，引起更多相关实验研究的关注以及进一步促进拓扑领域的发展。

我们提出了两类拓扑材料，一类为复合狄拉克半金属（CDSM），另一类则为二次色散接触点半金属（QCPS）。对于CDSM，其体态具有一对Dirac点，而布里渊区高对称线上存在反带。在侧表面，出现连接狄拉克点的费米弧和穿过表面布里渊区的费米线。CDSM的拓扑不变量可有镜像陈数和Z2来定义。在不破坏对称性应变作用下，CDSM可以相变为拓扑晶体绝缘体。对于QCPS，接触点周围的能带色散沿三个方向都是二次的。我们发现，在不存在/存在自旋-轨道耦合的情况下，QCPS存在受晶体对称性保护的三重/四重简并点。根据有效模型计算，在强磁场下，不同于通常的三维电子气，其朗道能级呈现出非常规的特征。此外，QCPS与多种拓扑相相毗邻。例如，通过塞曼场或晶格应变破坏对称性，它可以转化为具有外尔点和双外尔点（陈数为2）的Weyl半金属、Z2拓扑绝缘体/金属或Dirac半金属。我们进一步寻找到合适的候选材料来实现这两类拓扑相。此外，我们研究了已合成层状AMnBi（A=K，Rb，Cs）和Fe2Ga2S5材料的物理性质。结果表明，这些材料是反铁磁，Néel温度分别高于300 K和160K，具有较高的载流子迁移率（~103cm2/（vs））。当AMnBi材料的磁有序为铁磁时，系统将演变成具有无间隙手征边态的量子反常霍尔绝缘体。进一步，我们研究了具有四方晶格的单层硒，其狄拉克锥将随着外加应变而变化，并伴随拓扑相变。我们对这些拓扑材料的研究不仅丰富了量子材料的拓扑相，而且为观察量子材料的非平凡费米表面和磁输运性质提供了平台。