拓扑半金属的理论研究

Topological semimetals, including Dirac semimetals, Weyl semimetals, Weyl line node, are new topological quantum states of condensed matter physics, which exhibit many novel physical phenomena, such as, the chiral anomaly, the negative magnetic resistance, the Fermi arc, the high mobility, the nonlocal transport, and so on. On the one hand, the discovery of topological semimetals, especially, the cross-study of topological semimetals and traditional electronic states of condensed matter physics (e.g. magnetism, superconductivity), much enrich the content of modern condensed matter physics. On the other hand, topological semimetals have great potential applications of low power, rapid response electronic devices. However, the study of topological semimetals just gets started, and the depth and breadth need to be further improved. We plan to focus our research on the following three directions: 1) searching for new topological semimetals with excellent performance, for example, ideal Weyl semimetals; 2) studying the new novel phenomena of topological semimetals, for example, the spin and orbital coupling of Fermi arcs; 3) searching for new topological electronic states. We expect to assist the barriers of the current study of topological semimetals, and to promote the study of topological semimetals in both theories and experiments.

拓扑半金属，包括Dirac半金属、Weyl半金属、Weyl line node等，是近年来凝聚态物理中发现的一类全新的拓扑量子态，展现出许多新奇的物理性质——手性反常、负磁阻、Fermi弧、高迁移率、非局域输运等。一方面，拓扑半金属的发现，特别是与凝聚态物理中传统的电子态（磁性、超导）的交叉研究，极大地丰富了当代凝聚态物理学科；另一方面，拓扑半金属在低能耗、高反应速度电子器件应用方面具有巨大的应用前景。然而，目前拓扑半金属的研究仍处于起步阶段，其研究的深度和广度需要进一步提高。本课题组拟重点在以下几个方面展开研究工作：1）探索具有优异性能的新型的拓扑半金属材料，如理想Weyl半金属材料等；2）探索拓扑半金属的新奇物性，如Fermi弧的自旋和轨道耦合特征等；3）探索更多新型的拓扑电子态。本项目预期突破当前拓扑半金属研究领域遇到的障碍，推动拓扑半金属理论和实验方面的进一步发展。

2011 年，万贤刚教授与合作者，预言烧绿石结构的过渡金属氧化物 Y2Ir2O7中存在一种特殊的磁有序结构，结合强的自旋轨道耦合相互作用，其低能激发的能量-动量色散关系精确地满足Weyl方程。这种新型的物质态被称为 Weyl 半金属。这些 Weyl 费米子成对出现在不同的k点，在互相平行的电场和磁场联合驱动下，电子会在‘左手’Weyl 点处不断消失，而在‘右手’ Weyl 点处不断产生，故而传导电子之间的散射几率被大大降低，最终导致宏观电阻的降低，即负磁阻效应。该类材料具有稳定的表面态，其费米面形成开口的弧——费米弧，端点为 Weyl 点在表面上的投影。随着研究的逐步深入，人们相继发现了受对称性保护的 Dirac 半金属、Weyl 半金属、Weyl line node 等多种拓扑电子态，他们被统称为拓扑半金属。.在本项目中，我们结合目前该领域的发展现状和遇到的瓶颈，主要从如下三个方面展开研究工作: a)基于第一性原理方法，预测具有优异性能的新型的拓扑半金属材料。b)基于第一性原理方法和 kp 模型分析方法，研究拓扑半金属的各 种新奇物性。 c)探索更多的新型拓扑电子态。并且取得了系统性的研究成果。.拓扑半金属新奇物性的研究具有非常重要的意义。Weyl 费米子在凝聚态的动量空间里以准粒子的形式现身，极大地丰富了凝聚态物理中的电子态，产生了许多新奇的量子现象(手性反常，费米弧，非局域输运等)大大推动了凝聚态物理的进一步发展。在应用物理方面，Weyl 费米子有效质量为零，具有手性反常特性，使得电子之间的散射几率被大大降低，因此 Weyl 半金属材料往往具有极高的迁移率，对于发展新型低能耗、小型化、高反应速度的电子器件具有重要的意义。另外，Weyl 费米子的手性特征也有可能被用来荷载量子信息，有望用于设计新型量子计算。