AlB2类材料的电-声耦合及电子和声子拓扑性质研究

As a new type of quantum material, topological superconducting materials are expected to become the intrinsic carrier for topological quantum computing. with the deepening of the research on the physical properties of topological materials, topological theory has been successfully applied in the field of electronic systems. However, it has rarely been applied to the study of phonon topological properties in the phononic system. Considering that the work has very important practical significance for studying the electronic and phononic topological properties and their correlations of the materials, applicants will continue to study the pseudo-spin textures of phonons and the phononic topological properties in related materials, basing on our previous researches on the design of electronic spin textures and the tune of the strength of electron-phonon coupling. Applicants will use AlB2 classes materials as the object, through the doping, strain, high pressure and other means, to study the influence of the σ-bond, metality and the strength of electron-phonon coupling on the electronic and phononic topological properties of the material. The research of this project is helpful to better understand the novel physical properties such as electronic and phononic topologies and their correlations in topological superconducting materials and optimize their design and regulation, at the same time provides a theoretical reference for finding non-dissipative electrons and phonons transport and topological superconductivity.

拓扑超导材料作为一种新型量子材料，有望成为实现拓扑量子计算的本征载体。一直以来，随着拓扑材料物性研究的不断深入，拓扑理论已成功应用于电子体系领域。然而，将其应用于声子体系，进而描述体系的声子拓扑物性研究却鲜有涉及。考虑到此方面的工作对研究材料的电子、声子拓扑物性等以及它们之间的关联具有非常重要的现实意义，本项目拟在申请人前期关于材料电子自旋结构设计以及电-声耦合强弱调控的研究基础上，继续深入研究相关材料体系中声子的赝自旋结构以及与声子相关的拓扑物性。申请人将以AlB2类材料为研究对象，通过掺杂、应变、高压等技术手段研究σ键、金属性和电-声耦合强弱等对该材料电子和声子拓扑性质的影响规律。本项目的研究有利于更好地理解拓扑超导材料中电子、声子拓扑等新奇物性特点及它们之间的关联并对其进行优化设计和调控，为寻找无耗散的电子、声子输运以及拓扑超导电性提供理论参考。

拓扑超导材料作为一种新型的量子材料，蕴含丰富的物理内涵和外延，是未来可期望实现拓扑量子计算以及寻找马约拉纳（Majorana）费米子的本征载体。在过去十几年中，涉及材料电子的拓扑物性和超导特性的研究快速发展，其中电子的拓扑物性是能带结构在单电子近似条件下获得，而常规超导电性是由电声耦合机制所导致。拓扑理论应用在电子领域非常成功，然而，将其应用到声子体系中，进而描述声子拓扑物性却是鲜有涉及，尤其是在固体材料中。而本项目主要研究内容为AlB2类材料体系中电子拓扑、声子拓扑以及电声耦合致超导性质。通过第一性原理计算并结合紧束缚模型分析，我们发现在G-A方向上Sigma键的斜率主要由Vppπ的绝对值控制。此外，我们发现随着所选用轨道数目的增加，表面态则表现得更加弯曲。针对AlB2和MgB2体系，我们发现通过电子掺杂和拉伸应变可以增强超导转变温度TC。其中，对于AlB2，6％的拉伸应力可以将TC提高到10.25 K，并且掺杂浓度为0.1e-/unitcell可以将TC提高到9.89 K。拉伸应变可提高TC与大部分材料的TC随着压力的增大而降低是完全相反的。因此，提高AlB2类材料体系的超导转变温度，则需要对它们施加“负压强”。基于六角AlB2类材料，我们还设计具有六角晶格材料体系通过吸附氢原子来实现具有沙漏型的声子拓扑物性。在该项目的支持下，共发表了SCI论文6篇，包括2篇Applied Surface Science、2篇Philosophical Magazine、1篇Phys. Chem. Chem. Phys.和1篇Chemical Physics。