关联拓扑电子体系宏观量子特性及材料探索研究

Recent theory and experiment have revealed that strong spin-orbit coupling (SOC) can allow a nontrivial topology of the electron bands, leading to a distinct phase of matter, the topological band insulator. Then, the interplay of interaction and topology has recently proposed a rich avenue for the discovery of new phases of matter too, such as topological Mott insulator(TMI) and topological superconductor. However, in case of complicated manybody interaction and relativistic effect, it was quite difficult for both theory and experiment developing in this new area. It could be hardly found any material showing thoese new phases for a long time. On the other hand, as SOC scales with atomic number as Z*4, strong SOC and electron correlation may be expected in compounds involving some d or f electrons. Especially in 5d or rare-earth element systems, electron-correlating effects are often of weak or intermediate strength, making them perhaps competitive with those SOC and band structure effects. Owing to the surge of activity in GdPtBi and Ir-based transition-metal system, we choose "New correlated topological materials and their characteristic macroscopic quantum phases" as our research title. we will begin with new compounds design involving high Z elements. Then, synthesizing their bulk crystals by different technics such as flux,Czochraski,vertical Bridgeman and horizontal thermo-gradient methods. At last, combining with high accurate component and dopent controlling, as well as multiple physical properties measurements, we will make a deep study on the ultimate macroscopic quantum phenomena of the system where SOC and election correlation coexiting.

关联拓扑电子体系呈现出新奇的量子物态，主要包括关联拓扑能带绝缘体、拓扑莫特绝缘体或拓扑超导体。由于涉及到复杂的多体相互作用及相对论效应，关联拓扑电子体系的理论和实验研究存在诸多困难。特别在实验上，高品质拓扑关联电子体系的缺乏，严重阻碍了人们对关联拓扑电子体系新奇量子现象的进一步研究。基于此，我们提出《关联拓扑电子体系的宏观量子态及材料探索研究》这一课题，旨在通过材料设计，选择合成周期短、组分比例易于控制的块体材料而非薄膜作为优先合成对象，采用固溶、提拉、水平温度梯度、布里奇曼坩埚下降等材料合成技术，围绕元素序数较高、关联效应较强的d、f电子体系化合物进行材料设计和探索研究。同时，通过高精确量组分调控或掺杂工程，结合多重物性的表征分析工作，发掘深层次的自旋-轨道耦合与电子关联的相互作用关系，以及它们共同作用下体系呈现的最终拓扑量子态特性。

关联拓扑电子体系呈现出新奇的量子物态，主要包括关联拓扑能带绝缘体、拓扑莫特绝缘体或拓扑超导体。由于涉及到复杂的多体相互作用及相对论效应，关联拓扑电子体系的理论和实验研究存在诸多困难。特别在实验上，高品质拓扑关联电子体系的缺乏，严重阻碍了人们对关联拓扑电子体系新奇量子现象的进一步研究。基于此，我们提出《关联拓扑电子体系的宏观量子态及材料探索研究》这一课题，旨在通过材料设计，选择合成周期短、组分比例易于控制的块体材料而非薄膜作为优先合成对象，采用固溶、提拉、水平温度梯度、布里奇曼坩埚下降等材料合成技术，围绕元素序数较高、关联效应较强的d、f电子体系化合物进行材料设计和探索研究。同时，通过高精确量组分调控或掺杂工程，结合多重物性的表征分析工作，发掘深层次的自旋-轨道耦合与电子关联的相互作用关系，以及它们共同作用下体系呈现的最终拓扑量子态特性。.通过本项目的研究，我们探索并合成出一类新材料EuBi(Sb)Te3。在此之前，Ln-Bi(sb)-Te三元化合物单晶，特别是宏观尺寸单晶，的存在一直受到争议。因为缺乏实际的晶体材料，这一类化合物的性质也一直不为人所知。我们通过Te自溶剂法，合成出了EuBi(Sb)Te3新晶体材料。这一体系具有四方结构，为层状结构，易解理。Eu-Bi(sb)-Te的发现，为人们在Ln-Bi(Sb)-Te体系寻找可能存在的新奇量子效应提供了晶体材料基础。.运用综合物性测量系统、材料结构表征分析系统、光谱分析系统等手段，我们对EuBi(Sb)Te3 体系进行了多方面的物性表征及分析工作。分析表明这一材料体系呈现反铁磁绝缘体行为，奈尔温度在约为10k。通过磁阻测试，我们观测到这一体系存在正、负磁阻转变的反常现象。在奈尔温度以下，随着磁场强度的增加，磁阻从正值逐渐向负值转变，在5特斯拉附近，磁阻降低至零场电阻的30%左右。通过电镜分析，观察到沿特定晶格方向的条纹状超晶格结构。这些结果表明体系中存在着较复杂的电、磁耦合效应。.光致电流效应测试表明，EuBi(Sb)Te3 体系存在较强的光致电流效应，表明这一材料体系在光电探测领域具有巨大的应用价值。