二维材料上通过金属原子吸附构建人工重费米子关联态的理论研究

Heavy fermion is one of the most important strong correlated systems. Here, we propose that a two dimensional (2D) material with adsorbed transition metal (or rare earth, actinides) atoms could be a heavy-fermion-like electron correlated system, where the itinerant electrons are from the 2D materials and the local electrons (d,f orbitals) are from the metal adatoms. To illustrate this idea, we will study the following issues: (1) By DFT calculation, we build the effective model Hamiltonian and select some proper adsorbed systems. (2) Based on the effective models, we analyze the correlated states with slave boson mean field (and Gutzwiller variational wave function) methods. The important problems are： (1) the competition between the RKKY interaction and Kondo effect; (2) correlation effect induced topological phase transition. It actually gives a new 2D platform to investigate the physics of heavy fermion.

重费米子材料是一类重要的强关联系统。本项目提出在二维材料（如石墨烯）上吸附过渡金属元素、稀土元素和锕系元素原子能够制备出类似重费米子的人工二维关联系统。二维材料提供巡游电子，金属原子提供局域电子（d,f 轨道），局域电子的关联作用会导致吸附系统具有类似重费米子的关联效应。为了阐明这一概念，本项目计划研究：(1) 利用第一性原理计算结合理论分析，构建有效模型，筛选合适的吸附系统；(2) 基于有效模型，利用解析方法（隶玻色子平均场，变分波函数）研究吸附系统中的关联态，重点关注该人工关联系统里类似重费米子的关联效应和相应的量子相变。预期会出现的重要关联现象有：(1) 不同吸附构型下，RKKY相互作用和Kondo效应竞争；(2) 关联效应引起拓扑量子相变。跟传统重费米子材料相比，这一人工关联系统成分结构简单，易于调控，能够给重费米子的相关研究提供一个新平台，也为二维材料的研究提供一个新的方向。

石墨烯上的关联态一直是凝聚态物理研究的热点问题，如何在石墨烯上诱导出关联态则是这一问题的关键。本课题的主要目标是从理论上设计一个能在石墨烯体系中实现新奇强关联量子态的理论方案，为进一步的实验指出方向。我们最初的方案是通过在石墨烯上吸附重金属原子来构建一个等效的重费米子模型，从而石墨烯上诱导出关联态。在2019年初，魔角石墨烯的实验取得重要突破，转角石墨烯体系成为了研究石墨烯中关联效应更理想的平台。考虑到我们的最终目标（研究石墨烯中的关联态），为了更好的跟最新的实验相结合，我们调整了研究计划，重点研究了转角石墨烯体系中的魔角平带相关的物理性质，并最终取得了较大的突破，在这一方向上发表了一系列的工作。主要的成果有：.1）预言了转角三层石墨烯上存在拓扑莫尔平带，并随后被实验证实。.2）研究了由ABA堆叠多层石墨烯构成的转角莫尔体系，指出其费米面附近除了一对莫尔平带之外还有其他色散能带共存。.3）系统研究了所有双转角多层石墨烯（单层和双层为旋转单元）的能带结构，发现其能带可以分为4类，最终我们从18中不同的构型中筛选出2类最容易出现关联效应的结构。.4）发现了在双转角多层石墨烯中由镜面对称性所导致的双倍平带现象。.5）预言了在ABA堆叠的多层石墨烯中，施加垂直偏压并适当掺杂后可以诱导出一个关联半金属态。.项目截止目前共发表论文10篇，包括Science Bulletin 1 篇 （引用截止目前以超过40次），Phy. Rev. Lett. 2篇 （合作），Science China Physics, Mechanics & Astronomy 1篇， Phys. Rev. B 4篇， Optical Express 1篇, Frontiers of Physics 1 篇。顺利完成了计划目标。