半金属中拓扑电子的强磁场调控及相关新量子效应研究

Topological semimetal materials have come to the fore in physics study due to their significant scientific value and highly potential application. Previous study has found their quantum effects in multiple aspects, such as negative longitudinal magnetoresistance, extremely large transversal magnetoresistance, strong quantum oscillations, and highly mobile carriers. However the relation of these exotic features and their inherent topological nature is still under debate. Strong magnetic field is a powerful tool for controlling the electron motion in condensed matter and discovering novel quantum effect. We propose to study the exotic physical properties for various topological semimetals under strong magnetic field. Our research plan includes three parts. (1)Using strong magnetic field to tune the Landau levels, we will systematically study the magnetic torque and thermoelectric properties of topological semimetal in their quantum limit. We wish to find new quantum effect and understand the mechanism underneath. (2)Using strong magnetic field to change the electron motion orbitals, we will study the strong anisotropic properties and magnetic tunneling effect of topological semimetals. (3) We will study the metamagnetic and concomitant topological phase transitions of antiferromagnetic semimetal in strong magnetic field. The goal of the project is to discover several novel quantum phenomena of topological semimetal in magnetic field and understand the relation with their inherent topological nature. We expect to find several exotic physical properties which can be seen as the smoking gun of topological electrons in semimetal.

拓扑半金属材料由于其巨大的理论意义和潜在应用，已成为当前研究的焦点。前期研究已发现负的纵向磁阻、大的横向磁阻、较强的量子震荡、高迁移率等诸多新奇量子行为，但其机理特别是与拓扑电子的内禀属性之间的联系仍有待探索。强磁场是对电子开展量子调控、表征各种新型量子效应的最有效手段之一。本项目拟以拓扑半金属为研究对象，利用强磁场作为一个有效的量子调控与探测手段开展三个方面研究：1)利用强磁场调节朗道能级，系统地研究拓扑半金属在量子极限下的磁扭矩，热电效应等物性，探索新量子现象，阐明各种新现象的机理；2)利用强磁场调节电子回旋轨道，研究拓扑电子在各项异性轨道中的运动、磁隧道效应等；3)利用强磁场调节磁性半金属的磁结构，研究其拓扑相变及相关的新奇物性。通过本项目的研究，我们将探索拓扑半金属在强磁场下的新物性，发掘具有拓扑指针性的新现象，揭示这些现象与电子拓扑属性之间的关系，澄清其物理机制。

拓扑半金属材料是当前凝聚态物理研究的焦点对象之一。项目组在前期发现拓扑半金属中负的纵向磁阻、大的横向磁阻、强量子震荡、高迁移率等诸多新奇量子现象的基础上，利用强磁场对拓扑电子开展量子调控、表征各种新型量子效应，力图理清这些量子现象与拓扑电子之间的内在联系。本项目以拓扑半金属为研究对象，利用强磁场作为量子调控与探测手段，开展了三个方面的研究，1，利用强磁场调节朗道能级，研究拓扑半金属在量子极限下的磁扭矩，热电效应等物性，探索新量子现象，阐明各种新现象的机理；2，利用强磁场调节电子回旋轨道，研究拓扑电子在各项异性轨道中的运动、磁隧道效应等；3，利用强磁场调节磁性半金属的磁结构，研究其拓扑相变及相关的新奇物性。..项目实施以来一共取得了以下四项重要成果。1，发现了新型磁性拓扑金属、高温陈数笼目磁体RMn6Sn6，发现了其中陈数能隙调控的新机制，并确认了由拓扑效应导致的反常电荷与熵输运的关系；2，发现了外尔电子在强磁场量子极限下的不饱和磁化率等拓扑属性，明确了TaAs家族在磁场下的远超传统材料的热电效应来源于相互补偿的高迁移率电子空穴以及声子拖曳效应，利用强磁场下量子振荡测量确认了多种拓扑半金属的费米面结构；3，发现了新的序参量变化导致的量子相变，包括拓扑半金属中化学键断裂导致的拓扑相变以及磁场诱导的平庸绝缘体到外尔半金属的相变；4，发现了电荷密度波、几何磁阻挫等关联电子材料在强磁场下的新奇磁相变与量子振荡效应，揭示了关联电子系统费米面结构的变化以及强磁场对电荷密度波的抑制作用。..项目团队在Nature、NC、PRL等知名期刊上共计发表论文48 篇，毕业博士11名，硕士4名，1名博士后获博后特助资助，2名博士生2名获国家奖学金，初步形成了一支有特色的强磁场下拓扑物性研究的团队。