拓扑狄拉克半金属材料电子结构性质的第一性原理研究

Topological Dirac semimetals (TDSMs) represent a novel state of quantum matter with exotic electronic properties. The bulk band dispersion of these materials possesses three-dimensional (3D) Dirac cone structures in pairs, hence TDSMs can be regarded as a "3D graphene". So far, however, the candidates of ideal TDSMs are scarce. In this project, we will predict theoretically several types of materials as TDSMs using first principle calculations from the database of electronic band structures for inorganic crystals, and reveal the physical mechanism of the stability of 3D Dirac points through the symmetry analysis and constructing Hamiltonian models. The implementation of this project can contribute to deeper understanding of TDSMs and support the material foundation for the future applications.

拓扑狄拉克半金属是一类全新的具有奇特电子性质的拓扑量子态。这类材料的体能带具有成对的三维狄拉克锥结构，因此拓扑狄拉克半金属可看成是“三维的石墨烯”。然而到目前为止，理想的拓扑狄拉克半金属材料还较少。本项目拟通过搜索无机晶体电子结构数据库，采用第一性原理计算方法理论预言几种拓扑狄拉克半金属材料，结合对称性分析及构造模型哈密顿量理解三维狄拉克点稳定存在的物理机制。本项目的实施有助于人们对拓扑狄拉克半金属量子态的深入认识，为将来应用提供材料基础。

拓扑态包括拓扑狄拉克半金属和拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域的研究热点。本项目对若干新颖的拓扑态展开了理论研究工作。首先通过第一性原理计算及紧束缚模型研究了狄拉克线性色散中的拓扑态，研究发现典型的狄拉克线性色散材料石墨烯与CrI3组成的异质结在应力调控下可以出现拓扑态。然后通过构造kp低能有效模型研究发现了区别于传统的Kane-Mele线性色散模型与BHZ能带翻转模型的具有非狄拉克型的二次抛物线特征的拓扑态，并在无机材料系统PbC/MnSe异质结以及有机材料X(C21N3H15)(X=Cu, Co, Ta或Hf)中实现了该拓扑态。最后通过构造紧束缚模型，研究了简单三角格子以及六角蜂窝状格子中的电子结构，理论上首次发现了狄拉克线性色散与非狄拉克型二次色散共存导致拓扑平庸的现象，并提出了相应的拓扑退相干机制。我们的研究结果将推动拓扑物态理论研究的发展，成果中提出的若干实际材料可应用于未来低功耗导线输运以及拓扑量子计算器件中。