新型具有关联效应的拓扑绝缘体材料

Topological insulators have recently been discovered in strongly spin-orbit coupled two-and three-dimensional systems and soon become one of the frontier research topic. The search for correlated topological insulator is one of the important research directions for the further development of this field. Only recently, topological insulator materials with strong interaction such as quantum anomalous hall insulator have been discovered. This project will systematically search and theoretically predict more novel classes of topological insulators where interaction effects play a dominant role, including materials with metal-time reversal protected topological insulator phase transition driven by interaction, quantum anomalous hall insulator with ferromagnetic or antiferromagnetic order and topological magnetic insulator with dynamic axion field. We will use the combination of first principle calculation and analytical model to search for novel correlated topological insulator materials in transition metal, lanthanide and actinide compounds. We will mainly use LDA+U method in first principle calculation and Hubbard model in analytical calculation. This project may make important progress for both fundamental and applied investigation on correlated topological insulator materials.

拓扑绝缘体近年来在强自旋轨道耦合的二维和三维系统中陆续被发现，成为凝聚态物理研究的新热点之一。探索具有关联作用的拓扑绝缘体材料成为这个领域下一步发展的重要方向。最近，具有强关联作用的拓扑绝缘体材料，如磁掺杂的量子反常霍尔效应刚刚被发现。本项目将系统的寻找具有关联作用的新拓扑绝缘体材料，包括由关联效应导致的金属-时间反演对称拓扑绝缘体相变材料，铁磁与反铁磁的量子反常霍尔效应材料和具有动态轴子场的拓扑磁性绝缘体。本项目将采用第一性原理计算与解析模型结合的办法，在具有关联效应的过渡金属以及镧系，锕系化合物中寻找新的拓扑绝缘体材料。第一性原理计算方面将主要使用（LDA+U）的方法；在解析模型方面将主要使用Hubbard模型。本项目对探索新的关联拓扑绝缘体材料及其潜在应用具有重要意义。

拓扑态是当今凝聚态物理前沿研究最活跃，最重要的领域之一。和以往的拓扑效应如量子霍尔效应不同，拓扑绝缘体等新的拓扑态的存在不需要外加磁场和低温等物理条件，从而在电子元器件方面具有广阔的潜在应用。近年来拓扑物态领域发生了一系列重大进展, 具体为从基础科学研究到实际应用，从拓扑绝缘体到拓扑半金属，从平衡态到非平衡态，从低维到高维。本项目在具体执行中研究了(1)拓扑绝缘体负微分电阻和非线性响应。我们研究了拓扑绝缘体表面态非线性响应的强度，由此发现了一种新的产生负微分电阻的物理机制，并提出了其在太赫兹信号源和倍频器上的潜在应用。(2)由反射和旋转对称性保护的拓扑半金属的分类。我们对有时间反演对称和自旋轨道耦合的拓扑半金属使用十七个点群中的反射和旋转对称性进行了系统的分类。其中共有八种反射对称性，每四种分别对应垂直和平行于旋转轴的镜面。(3)非同构二维人工结构中的线简并和拓扑第二型狄拉克点。我们在二维光子晶体里找到了狄拉克线和第二型狄拉克点，其中第二型狄拉克点具有反常反射的独特性质。在这里，我们利用了人工结构的形状可调性使用椭圆柱子构造出了非同构对称性。(4)人工结构中的非平衡拓扑态。我们提出了一种新的使用交流电电磁铁的力学系统实现弗洛凯陈数绝缘体的方法，这一系统在实验上非常简单可行，并且可以通过控制交流电的强度和相位非常简便的调制，具有可用肉眼可视化的拓扑边界态。(5) 受第二陈数保护的纠缠拓扑态。我们提出了一个在普通二维光子晶体里通过周期性调制谐振腔的半径，从而构造出受第二陈数保护的纠缠态人工结构。这一结构可以使用普通的厘米尺寸柱子的二维硅光子晶体制造，其中受保护的边界态可以调制到微波波长范围内，因此很容易实验实现。现有3篇SCI论文已发表，还有一篇已被接受，一篇审稿中，研究成果负责人均为第一或通讯作者。特别是关于拓扑半金属的分类论文在发表一年多后已获得17次的他引。