强关联拓扑半金属材料的第一性原理研究

Topological semimetal is a completely new topological quantum state, which is different from topological insulator. It extends the topological band theory from insulator to metal. Ideally, there is only band crossing points at the Fermi surface, and the band dispersion is linear around the crossing point. Such band structure will lead to many interesting phenomena. Up to now, most research focused on the materials which are free of electronic correlation. We propose this project to study the properties of topological semimetal with electronic correlation effect and explore the tunable topological semimetals by using the electronic interactions. The project includes the following three parts: (1) We will develop a software package to calculate the topological properties of strongly correlated materials. (2) We will search and study the strongly correlated topological semimetals by using our first principle calculations software. (3) We will study the competitions between correlation, crystal field, SOC, and their effect on topological order. Based on this project, we hope to provide theoretical guide for realistic materials and experimental studies.

拓扑半金属作为一种新型拓扑量子态成为当前凝聚态物理研究的热点。理想情况下，拓扑半金属的费米面只存在能带的交叉点，并且在这些交叉点附近能带呈线性色散关系，这些特征会给材料带来许多新奇的物理性质，现有研究主要集中在不考虑电子关联效应的材料体系。本项目计划研究电子关联效应对拓扑半金属带来的诸多新奇物理现象，同时把电子关联效应作为一种拓扑相变的量子调控手段，从而研究关联作用引起的丰富物相,主要内容包括：基于DFT+DMFT和DFT+Gutzwiller方法，发展一套针对关联材料拓扑物性的计算程序包；采用该程序包，从第一性原理计算的角度探寻和研究强关联拓扑半金属材料；结合理论模型分析，深入探讨电子关联效应与晶体场、自旋轨道耦合等物理量之间的合作与竞争关系对于拓扑序的调控作用。通过本项目的研究，为拓扑半金属的实验材料合成与研究提供理论指导和依据。

拓扑半金属作为一种新型拓扑量子态成为当前凝聚态物理研究的热点。理想情况下，拓扑半金属的费米面只存在能带的交叉点，并且在这些交叉点附近能带呈线性色散关系，电子关联效应对拓扑半金属带来的诸多新奇物理现象。本项目采用第一性原理计算与动力学平均场方法研究了材料中的奇异拓扑现象，主要研究成果包括：(1) 把DFT+DMFT方法拓展到了关联拓扑材料的研究，可以计算拓扑半金属材料的拓扑不变量和奇异表面电子结构；(2) 预言了在不考虑自旋轨道耦合的情况下黑磷通过压力压缩可以转变成为新型拓扑结线半金属，以及具有长费米弧的拓扑外尔半金属Ag2S；(3) 通过理论计算与实验合作研究了具有多种拓扑费米子的PdBiSe材料，关联铁磁拓扑半金属Co3Sn2S2。本项目为深入开展强关联拓扑材料的研究提供了有效的理论计算方法，以及为拓扑半金属材料的探寻与材料合成研究提供了理论指导和依据。