拓扑狄拉克结线半金属材料设计

Topological Dirac Node-Line (DNL) semimetals are a new class of quantum matter, which was found in 2015 and characterized by the presence of nearly flat topologically protected surface states. The flat bands on the boundary cause almost infinite electronic density of states nearby Fermi energy level, rendering DNL semimetal as a potential platform for superconductivity and strong correlation physics. Noticed that the DNL states are independent of spin-orbit coupling effect, we have suspected that DNL states may exist in materials who have fully filled electronic orbits (also including fully filled s orbit). Within this context, we have calculated the electronic band structures of a series of pure metals and found that, in some pure metals, such as beryllium, there exist DNL states. Importantly, this is the first case of topological material in pure metal, not only bringing us a new direction to design DNL semimetals, but also sharping our understanding of the unique electron behaviors on metal surfaces. Within this project, we will make some in-depth researches of DNL states in pure metals and their physics properties. Afterwards, we will study the mechanisms of these physics properties in combination with available experimental setups, aiming at designing high-performance DNL semimetals.

狄拉克结线半金属是2015年发现的一种新型的量子材料，其典型特征是本身的拓扑性引发的表面态在动量空间内几乎水平。这种表面态使表面上的费米能级附近具有几乎无限的电子态密度，因而展现出广泛潜在的应用,比如表面超导和强关联效应等。特别重要的是，注意到狄拉克结线量子态不受自旋轨道耦合效应的约束，因此我们推测具有满壳层轨道电子(包括纯s轨道)的物质理论上可能成为狄拉克结线半金属的载体。随后通过第一原理计算技术对各类具有这种满壳层轨道的金属单质的电子结构进行分析，在铍等金属单质中发现了狄拉克结线量子态。这不仅丰富了拓扑材料的研究案例，而且对纯金属的特殊性质的研究也有十分重要的意义。本项目以系统深入研究金属单质中狄拉克结线量子态以及和它相联系的物理现象为出发点，探索狄拉克结线量子态衍生现象的物理机理，从而设计出高性能的狄拉克结线半金属材料。

拓扑节线是一种新型的量子态，表现为电子结构中的导带与价带相交形成线性色散，并且线性色散的点在布里渊区内构成闭合回路，形成节线态。这种量子态的典型特征是存在一个介于其表面投影内部并局域在费米能级附近的鼓膜类拓扑非平庸表面态，会导致费米能级附近增大电子态密度。本项目主要利用了第一性原理计算技术，系统深入地研究了金属单质和一些典型材料中的拓扑狄拉克结线量子态以及和它们相联系的物理现象，阐述了狄拉克结线量子态衍生现象的物理机理，理论设计高性能的狄拉克结线半金属材料。（1）在金属单质铍和镁中，发现了拓扑狄拉克节线量子态，澄清了多年来有关金属铍表面的性质的科学谜题，尤其是揭示了金属铍表面电子与近自由电子模型存在偏差的问题和金属Be表面具有反常的弗里德尔震荡问题的物理根源都可归因到拓扑狄拉克节线量子态；（2）我们拆解了电声耦合方程，开发了新的算法和软件，精确求解了每个动量空间的电子对电声耦合过程的贡献，揭示了拓扑狄拉克节线是会在表面导致电声耦合反常增强现象，澄清了金属Be表面反常电声耦合增强物理根源的长期争论；（3）阐述了拓扑狄拉克节线材料可以作为催化反应的平台，提出了拓扑量子催化的新概念。基于拓扑节线表面电子态密度局高和狄拉克节线提供的优良的迁移率的双重优势，预测了拓扑狄拉克节线材料新家族TiSi，并建议利用其拓扑鼓膜状表面态实现了高效析氢反应催化，这项工作为拓扑材料在催化领域的应用提供了新的思路。（4）除了以上拓扑电子方面的研究，我们还对材料声子的拓扑节线进行了研究，开发了拓扑声子计算软件胞TPHONON，并首次在高温超导MgB2材料预测了贯穿整个布里渊区的拓扑声子节线态，在石墨烯声子中预测了拓扑节线环和狄拉克点共存。（5）项目部分成果已经建成了材料声子和拓扑声子数据库，并正式在线开放，网址为www.phonon.synl.ac.cn。在项目支持期间，在PRL、PRB并与实验合作在Science等期刊发表论文23篇，并多次参加国内外学术会议，培养博士生毕业3人、在站博士后1人、在读博士生3人和在读硕士生2人。