有机拓扑材料的理论设计与应用

As a new class of topological materials（TMs）, topological insulators (TIs) and topological semimetals (TSs) have become a hot research topic in material science in recent years. Because of the robustness of topological quantum state to the local perturbation in a material, it has a strong anti-interference ability. This special property provides it with a broad application for building low-energy cost and low-resistance spintronic devices. Meanwhile, it also contains rich novel quantum phenomena. However, the research bottleneck of TMs lies still in the material synthesis. How to design and search for more TMs? How to eliminate the bulk carrier contribution in quantum transport? These unsolved problems are very important for its future applications. In this project, combining first-principles and model calculations, we will investigate the formation mechanism of topological electronic states in organic materials made of organic molecular, and try to design and search organic TIs, organic TSs and organic topological quantum devices. Our work will extend the traditional research of topological electronics from physical to chemical society.

作为一种新颖的拓扑材料，拓扑绝缘体、拓扑半金属已成为近些年来材料科学研究的一大热点。拓扑材料中的拓扑量子态不受材料局域环境的影响，具有很强的抗干扰性，因此在设计低能耗、低电阻的自旋电子器件方面有着广阔的应用前景，同时也蕴涵着丰富的新奇量子特性。然而目前拓扑材料研究的瓶颈仍在于材料的合成与制备，如何设计寻找便于实验合成与操控的新型拓扑材料，减少体载流子对于其量子输运特性的影响，对于推动拓扑材料的进一步发展将起着至关重要的作用。本项目中，我们拟采用第一性原理结合模型计算的方法，以有机分子体系为模板，深入研究有机材料中拓扑电子态的形成机制，将传统拓扑电子学的研究由物理领域推广到化学领域，并借此探索有机拓扑绝缘体、有机拓扑半金属和新型有机拓扑量子器件的设计与实现方案。

在本项目中，借助理论计算为指导的材料设计方案，我们深入探讨了各种新颖拓扑电子态的实现机制，以有机分子等材料体系为模板系统研究了不同拓扑材料的新奇量子特性，为实现便于实验合成与操控的新型拓扑材料提供了必要的理论指导。本项目取得的主要研究成果包括：（1）通过破缺结构或者轨道对称性，提出实现面内磁矩量子反常霍尔效应的普适方案，将量子反常霍尔效应的研究由面外磁矩推广到面内磁矩，并在二维金属有机框架中得以实现。（2）通过压力调控，实现三维有机分子晶体半导体到节点线半金属的拓扑相变，为设计寻找新型柔性拓扑电子材料开辟了新的研究途径。（3）在二维石墨炔与双层旋转石墨烯中实现不依赖于自旋轨道耦合的高阶拓扑电子态，进一步丰富了高阶拓扑能隙的打开机制，同时也拓展了碳基材料拓扑电子学的研究。（4）发展了第一性原理接口的模拟光场程序，实现光场下铁硒中陈数反号的量子自旋霍尔效应到量子反常霍尔效应相变，以及折叠石墨烯中一维拓扑畴界态和三维量子反常霍尔效应，揭示光场对于拓扑态的独特调控。（5）理论结合实验，证实外场调制下四度简并一维狄拉克节点线的存在，以及外尔半导体中由于手性反常所导致的负磁阻和平面霍尔效应，为拓扑电子器件的设计提供了新的研究思路。