拓扑材料中的电子相互作用与磁性掺杂研究

Topological material is one of the frontiers in condensed matter physics, which includes topological insulator, topological semimetal, quantum anomalous Hall insulator and topolotical superconductor, which exhibits plentiful physical phenomena and are potentially applicable in dissipationless spintronic devices，topological quantum computing and optoelectronic materials. In this project, we are going to study the following problems. (1) Quasiparticle and plasmon excitations in nonmagnetic topological material, and their effect on the optoelectronic properties. (2) The properties of plasmon in magnetized topological materials and their influence in the electromagnetic response of the materials. Investigate their potential application in spintronic devices and negative refraction materials. (3) The interaction between the free charge carriers and the magnetic impurities in topological materials. Investigate the groundstate configuration of magnetic impurities, the dynamics of their low energy excitations, and their effect on the low energy quasiparticles and collective excitations of free charge carriers.

拓扑材料是当前凝聚态物理领域中的一个前沿热点问题。这类材料包括拓扑绝缘体、拓扑半金属、反常量子霍尔绝缘体以及拓扑超导体等。它们表现出丰富的物理现象，并在低功耗自旋电子学器件、拓扑量子计算以及光电材料方面都存在潜在的应用前景。本项目拟研究如下三个问题：（1）非磁拓扑材料中的准粒子激发和等离基元,及其对光电性质的影响。（2）磁化拓扑材料中的等离基元的物理性质及其电磁响应。探讨它们在构建自旋电子学器件和负折射材料方面的应用。（3）拓扑材料中自由载流子和磁性杂质之间的相互影响。研究磁性杂质的基态空间构型和低能激发的动力学性质，及其对拓扑材料中的低能准粒子激发和集体激发的影响。

在本项目资助11374135下我们主要进行了以下几项研究工作：1、量子反常霍尔液体的元激发统计性质研究。如果霍尔液体中的元激发是任意子，则这种元激发可能会表现出分数排斥统计的性质，这对材料的输运和热力学性质有重要影响。我们研究了一、二维系统中分数交换统计和排斥统计之间的一般关系，发现两者之间的关系依赖于系统的压缩率和边缘电流；2、利用密度矩阵重整化群的方法研究了拓扑绝缘体表面态的磁性杂质阵列的磁结构。在磁性杂质元素距离较近时，随着面内和垂直于面的近藤耦合系数比例变化，磁性原子阵列会出现铁磁、斯格明子晶格以及反铁磁条纹相三种主要磁结构；3、狄拉克半金属Cd3As2的负磁阻和Bi2Se3/NbSe2异质结的输运性质研究；4、铁磁块体中掺入强自旋轨道耦合原子后的输运性质的理论和实验研究。我们通过实验测量和理论分析研究了该体系中的载流子对于磁有序杂质的响应，发现除了传统的反常霍尔效应外，还有磁性原子的skyrmion结构导致的拓扑霍尔效应；5、利用变程跳跃理论在强欠掺Bi2Sr2-x Lax CuO6+δ所观测到的能隙。