拓撲絕緣體新材料以及表面物性的第一性原理研究

《拓撲絕緣體新材料以及表面物性的第一性原理研究》是依託北京理工大學，由馮萬祥擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲絕緣體新材料以及表面物性的第一性原理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：馮萬祥
• 項目類別：面上項目

項目摘要

最近發現的拓撲絕緣體已經成為凝聚態物理和材料學領域中的研究熱點。為實現其在自旋電子學器件和拓撲量子計算等多個方面的套用，找到性能優良的真實宿主材料是首要條件。然而，目前已有的拓撲絕緣體材料還不能滿足實際需求。下一個階段的研究應該重點關注拓撲絕緣體新材料，同時考慮與材料表面相關的實際物理問題。結合當前的研究狀況和已有的工作基礎，本項目將基於第一性原理計算研究下面幾個問題：（1）探索光致拓撲相變的可能性，通過光學手段尋找新型拓撲材料；（2）結合外場調控，在量子阱和異質結中尋找二維拓撲絕緣體；（3）研究拓撲絕緣體表面重構與拓撲表面態之間的內在聯繫；（4）研究閃鋅礦和類閃鋅礦結構下的三維強、弱拓撲絕緣體和二維拓撲絕緣體之間的關係。本項目滿足當前的研究需求，有望為拓撲絕緣體領域的進一步發展提供材料和理論基礎。

結題摘要

最近發現的拓撲絕緣體已經成為凝聚態物理和材料學領域中的研究熱點。為實現其在自旋電子學器件和拓撲量子計算等多個方面的套用，找到性能優良的真實宿主材料是首要條件 。然而，目前已有的拓撲絕緣體材料還不能滿足實際需求。本項目使用第一性原理方法，圍繞著拓撲絕緣體新材料和材料表面（低維系統）相關的實際物理問題展開，主要的研究成果有：（a）研究發現在簡單立方半導體（Ge或InSb）中通過X射線可以實現光致非平庸拓撲態，揭示了芯空穴效應與拓撲序之間的內在關係，推廣了拓撲材料的選擇範圍和實現手段；發現單層Bi4Br4是具有0.18eV的大能隙二維拓撲絕緣體，可在遠高於室溫條件下觀察到量子自旋霍爾效應；在BiTeI/Bi2Te3異質結中發現了巨Rashba自旋劈裂態和拓撲表面態共存的非平庸拓撲態，提供了基於非對稱異質結設計拓撲自旋電子學器件的新途徑。（b）自旋非共線系統有別於傳統的鐵磁體和反鐵磁體，可被看作是一種新型的“拓撲”材料。half-Heusler拓撲絕緣體家族的GdPtBi是一種自旋非共線反鐵磁體，由於費米能級附近的Weyl點交叉能帶、其反常霍爾角大於所有傳統的反鐵磁體、且可比於已知的各種鐵磁體；研究還發現自旋非共線系統Mn3X (X = Rh, Ir, Pt)具有很大的磁光克爾效應，打破了以往人們對於總磁化強度為零的反鐵磁中不可能出現磁光效應的傳統認知。研究結果極大地擴展了研究反常霍爾效應和設計磁光器件的材料平台。（c） 二維鐵磁材料在自旋電子學器件中具有重要的套用價值。二維材料MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te)、藍磷和灰砷的價帶頂處都具有墨西哥帽子的特徵，即帶邊態密度存在奇點。研究發現只要施加合適的空穴摻雜就可以誘發Stoner鐵磁相變，進而建立穩定的鐵磁序，這是產生二維鐵磁體的有效手段。通過門電壓可以調節空穴濃度，進而調節磁光強度，因而這些二維材料中的磁光效應是電可控的。此外，這些二維材料的磁光效應非常大，可以作為二維磁光器件的優異平台。