类石墨烯二维材料的拓扑性质的理论研究

Graphene-like two-dimensional (2D) materials, such as silicene, germanane and the transition metal dichalcogenides, have attracted researchers’ extensive attention in condensed matter physics and material sciences recently, due to their unique energy band structures, excellent electronic, optical, and thermal properties. In this project, by using a combination of analytical and numerical methods, we attempt to explore the topological quantum properties of graphene-like 2D materials, including the following sections: (1) the valley and spin polarized Nernst effect in the graphene-like materials; (2) the nonequilibrium behavior of the Floquet topological quantum phase transition with a time-dependent periodic driving field in the graphene-like materials; (3) the superconducting proximity effect in the graphene-like heterostructures. And we hope to find a new approach to characterize the topological order, which can be used to discuss spin and valley-dependent properties of topological insulators and topological superconductor in graphene-like materials. These theoretical investigations of the graphene-like materials will provide fundamental support in the spin-based and valley-based electronic applications, and topological quantum computation in the near future.

类石墨烯二维材料(硅烯、锗烯、过渡金属二硫属化物等)具有新奇的能带结构和优越的电学、光学及热学性质，使其成为凝聚态物理和材料科学领域的一大研究热点。本项目拟在前期研究成果的基础上，以类石墨烯材料的拓扑性质为主要研究目标，利用解析计算和数值模拟相结合的方法，通过系统的理论研究，重点探索：(1) 与自旋和谷相关的拓扑能斯特效应；(2) 周期性外场驱动下类石墨烯的Floquet拓扑相变；(3) 基于类石墨烯系统的超导邻近效应。通过发展新的关于拓扑序的有效表征手段和计算方法，以进一步深入理解类石墨烯材料中的与自旋和谷自由度相关的拓扑绝缘体和拓扑超导体的性质。这些工作有可能为类石墨烯材料在自旋电子学，谷电子学以及量子计算领域的应用提供理论指导。

对石墨烯的研究也引发了人们对硼烯、硅烯、锗烯、黑鳞、六方氮化硼、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物以及其它的类石墨烯二维材料的理论和实验的广泛研究。拓扑绝缘体吸引着凝聚态物理和材料物理的极大关注，其典型特征是体能隙中存在无能隙的边缘态。这类材料的拓扑特性与电子能带结构中存在的自旋轨道耦合作用等因素引起的能带反转密切相关。要确定特定的某个材料的拓扑性质通常是比较复杂的，依赖于详细的能带结构和贝利曲率计算，需要引入一个自旋和谷自由度相关的拓扑不变量去表征它, 以及研究外场、邻近效应驱动下的拓扑相变。另外，大部分的拓扑材料也是热电材料，因为拓扑绝缘体具有较强的自旋轨道耦合作用，热电材料也具有相似的材料特性，比如具有重元素，以及窄的能隙。热电材料通过品质因子来衡量，具有较高的塞贝克系数，较大的电导率以及较低的热导率(电子和声子的贡献)，但是这几个参数还是相互关联在一起，因此这对热电材料的研究也是一个挑战。本课题研究了一些新的二维热电材料的热电性质，通过计算体材料和层状材料的迁移率、塞贝克系数、电导率、晶格热导率等几个重要的参数，研究了压力、尺寸效应对材料热电转换效率的贡献。研究了通过计算拓扑不变量研究层状氮化硼等材料中存在的拓扑相。以及研究拓扑绝缘体材料中的拓扑体态和边缘态对热电性质的贡献。这些结果为类石墨烯材料的拓扑性质和热电性质的研究提供了一些理论基础。