非点式对称保护Weyl型节点线拓扑半金属态的形成机理

Topological semimetal states are one of the research hotspots in condensed matter physics. As one of important member of them, node-line semimetal can be roughly divided into Dirac-type and Weyl-type. Because of completely spin polarization topological electronic states and potential application prospects in spintronics, time reversal broken Weyl-type node-line semimetal has attracted much attentions. However, the research on this semimetal state are still in the beginning stage, and only symmorphic symmetry protected spin-polarized node-lines are proposed in materials. Preliminary studies of this field have shown that nonsymmorphic symmetry protected Weyl-type node-lines with the time reversal broken can be found in inverse spinel material. Therefore, based on the first-principles calculations and symmetry analysis of spinel and inverse spinel materials, this project will built the basic physical models of Weyl-type node lines under the time reversal symmetry broken and nonsymmorphic symmetry protection, the topological index and topological surface states of such semimetal states are also will be studied. Finally, we would analyze the evolution of the node line under the spin-orbit coupling and symmetry broken. This project will provide a new understanding of the topological features of Weyl-type node-line semimetal.

拓扑半金属态是凝聚态物理的研究热点之一。拓扑半金属中的节点线半金属(node-line)大致可分为Dirac型和Weyl型两类。时间反演破缺Weyl型节点线半金属因其完全自旋极化的拓扑电子态及其在自旋电子学中的潜在应用前景引起了人们的关注。但迄今为止关于时间反演破缺的Weyl型节点线半金属的研究尚处于起步阶段，仅发现由点式对称保护的自旋极化节点线半金属材料。已有的相关研究表明，在反尖晶石材料中可能存在非点式对称保护的时间反演破缺Weyl型节点线半金属。本项目以尖晶石、反尖晶石材料为研究对象，基于第一性原理计算和对称性分析，建立时间反演对称破缺和非点式对称保护下Weyl型节点线半金属态产生的基本物理模型，深入研究表征这类半金属态的拓扑指数及其拓扑表面态，并进一步分析其在自旋轨道耦合及对称破缺下节点线的演化规律。本项目的开展将为人们深入理解Weyl型节点线半金属的拓扑特征提供新的思路。

拓扑半金属中的节点线半金属大致可分为Dirac型和Weyl型两类。其中时间反演破缺的Weyl型节点线半金属因其完全自旋极化的拓扑电子态及其在自旋电子学中的应用前景而引起了人们的关注。但具有这类半金属性质的材料还比较少。已有的相关研究表明，在尖晶石材料中存在非点式对称保护时间反演破缺的Weyl型节点线半金属。本项目以非点式对称保护材料为研究对象，课题组前期研究表明对已合成的Mg2VO4中存在一类由滑移镜面保护的自旋极化Weyl型节点线半金属。在此基础上，我们系统地在尖晶石材料中探索了更多具有自旋极化节点线特征的材料，并筛选出MnNa2O4、MnLi2O4、VZn2O4和VCd2S4四种新型具有潜在时间反演破缺Weyl型节点线半金属态的材料。结构分析和稳定性研究结果表明这几种尖晶石结构都是稳定的，磁基态为铁磁态。进一步对它们的电子性质和拓扑特征研究表明它们都具有拓扑保护的完全自旋极化的闭合节点线半金属态。在考虑自旋轨道耦合和不同磁化方向时闭合节点线都保存完好，而在晶格对称破缺下节点线演化程度受施加应变方向的不同而不同。综上，本研究为深入理解Weyl型节点线半金属的拓扑特征提供了新思路，并为发展潜在高性能自旋电子学器件提供了理论指导。