关联拓扑半金属中的新奇量子态及其调控

Topological semimetal is a new type of topological quantum states that has made rapid progress. Due to its possible application, this research field attracts the interest of physicists. In addition, because of its rich physical states and exotic transport property, this research field becomes active in condensed matter physics. In this project, we will systematically study the correlation effect and defects effect in different topological semimetals and study the quantum exotic states induced by interaction and defects. We will start from the typical topological semimetals to analyze the effect from typical interactions and typical defects (lattice-vacancies, chiral-defects, lattice-dislocation, strained crystal), and then classify different quantum exotic states induced by interaction and defects. Based on the knowledge on the quantum exotic states, we develop their global picture and predict the new quantum effects. By deforming crystals or tuning electronic correltions, we manipulate the quantum exotic states of topological semimetals. Finally, based on the condensed matter metarials or cold-atom systems, we propose the realistic approach to realize the quantum exotic states and verify our theory.

拓扑半金属是一种新型的拓扑量子态，作为凝聚态物理中新的研究领域，发展迅速，有重要的应用前景，引起了科学家们广泛的兴趣。这些系统中具有丰富的物质形态和奇特的输运性质，已经成为凝聚态物理学中非常热门的研究课题之一。该项目将系统化地研究拓扑半金属的关联效应和缺陷效应，认识拓扑半金属中电子关联和晶格缺陷诱导的新奇量子态。我们将从各种典型的拓扑半金属出发, 分析典型的相互作用和典型的缺陷（晶格点缺陷、手征缺陷、晶格位错、晶格整体变形）的物理效应；对关联和缺陷诱导的各种新奇量子态进行分类，建立整体物理图像，并预言新的物理效应。通过变形晶格结构、调节电子相互作用对拓扑半金属中的新奇量子态进行调控。最后，基于凝聚态物理体系或冷原子体系，设计实验方案，检验相关理论结论。

项目主持人在拓扑半金属及其相关领域研究中取得了一系列创造性的成果，在国际、国内重要期刊发表论文20篇，很好的完成了预定的计划。同时，项目主持人培养了七名博士研究生、七名硕士研究生。在该项目研究期间，项目主持人获得了第十六届北京师范大学教学名师奖。作为和该研究相关的进展，项目主持人获得了2020年度陕西高等学校科学技术奖二等奖（排名第二）。具体地，我们利用系统化的技术研究了若干典型的拓扑半金属模型，包括三维自旋轨道耦合模型、三维玻色Pi-flux Hubbard模型、相互作用费米模型等。我们发现了一系列有关拓扑半金属的新奇量子态，包括type-1.5 拓扑半金属、type-II nodal-line拓扑半金属、玻色拓扑半金属等。我们在深入认识拓扑半金属物理属性的基础上，研究了相关物理性质，包括: 拓扑半金属的分类、玻色拓扑半金属、拓扑半金属的关联效应、拓扑半金属的输运性质、拓扑半金属的杂质效应、内禀拓扑半金属的临界现象等。我们对于在凝聚态物理中尚无相应体系的物理模型（如type-1.5 拓扑半金属、玻色拓扑半金属等），基于冷原子技术，设计了可行的实验方案验。