4d,5d过渡金属化合物的电子结构和新奇物性探索

Due to the strong spin-orbital coupling and moderate electron-electron correlation, 4d and 5d electrons often exhibit very different behaviors from the 3d electrons. As a result, materials based on the 4d/5d transition metal elements provide a fertile ground for discovering new physics and rich properties. There are not only many exotic ordered states, but also many nontrivial topological electronic states. Currently, our understanding of the electronic structures of these materials is still at its infancy. Therefore, we hereby propose to grow single crystal and thin films of 4d/5d electron systems, such as iridates and ruthenates, and study their electronic structure with angle resolved photoemission spectroscopy. We plan to unveil how the spin orbital coupling and electron correlation manifest themselves in the electronic structure, study the general theme behind the rich properties of these materials, and find ways to control their properties. We also expect to discover new phases and novel properties.

由于其较强的自旋轨道耦合和适度的电子关联，4d,5d电子表现出与3d电子不同的性质，基于4d/5d过渡金属元素的化合物具有非常丰富的物性：不但有着很多奇特的有序态，而且往往表现出很多非平庸的拓扑电子行为。目前，人们对于4d,5d过渡金属化合物的电子结构的了解仍然在起步阶段，因此我们建议通过晶体和薄膜生长，利用角分辨光电子能谱研究钌氧化物、铱氧化物等多种4d/5d电子体系的电子结构，揭示4d/5d电子体系的自旋轨道耦合、电子关联等不同能量尺度与不同自由度在电子结构层面的表现，总结普遍的规律，探索其丰富物性背后的微观机制和调控手段。并期望发现新奇的物态和性质。

本项目结合体材料生长、薄膜生长、表面掺杂、角分辨光电子能谱技术、扫描隧道显微技术以及原位测量技术，研究了多种4d/5d电子体系的电子结构和新奇物性，揭示了该电子体系中自旋轨道耦合、电子关联等不同能量尺度与不同自由度在电子结构层面的表现，探索其丰富物性背后的微观机制和调控手段。特别是：1. 成功外延生长了Sr2IrO4单晶薄膜，并对其进行了原位表面钾掺杂和低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱的测量，给出了该材料中可能的超导电性的迹象。2. 发现了具有不饱和大磁阻材料WTe2中的强自旋轨道耦合效应。3. 证实了4d金属化合物材料NbP是拓扑外尔半金属。.通过不断创新与探索以及合作研究，在质和量两方面都超额完成了预期目标。自获资助以来在本项目相关的研究领域中共发表SCI收录论文8篇，其中Physical Review X 1篇，Physical Review Letters 1篇，2D Materials 1篇以及Physical Review B 3篇。.项目在执行期内举办了3次国际学术会议并参与了多次学术交流会议。项目组成员在国际学术会议作邀请报告36次，国内重要学术会议作邀请报告4次。这些为培养本研究领域的高水平科研人才做出了贡献，也使得整个合作团队的国际地位得到了进一步的提高和稳固。