新型具有關聯效應的拓撲絕緣體材料

《新型具有關聯效應的拓撲絕緣體材料》是依託中山大學，由張笑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型具有關聯效應的拓撲絕緣體材料
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張笑
• 依託單位：中山大學

中文摘要

拓撲絕緣體近年來在強自旋軌道耦合的二維和三維系統中陸續被發現，成為凝聚態物理研究的新熱點之一。探索具有關聯作用的拓撲絕緣體材料成為這個領域下一步發展的重要方向。最近，具有強關聯作用的拓撲絕緣體材料，如磁摻雜的量子反常霍爾效應剛剛被發現。本項目將系統的尋找具有關聯作用的新拓撲絕緣體材料，包括由關聯效應導致的金屬-時間反演對稱拓撲絕緣體相變材料，鐵磁與反鐵磁的量子反常霍爾效應材料和具有動態軸子場的拓撲磁性絕緣體。本項目將採用第一性原理計算與解析模型結合的辦法，在具有關聯效應的過渡金屬以及鑭系，錒系化合物中尋找新的拓撲絕緣體材料。第一性原理計算方面將主要使用（LDA+U）的方法；在解析模型方面將主要使用Hubbard模型。本項目對探索新的關聯拓撲絕緣體材料及其潛在套用具有重要意義。

結題摘要

拓撲態是當今凝聚態物理前沿研究最活躍，最重要的領域之一。和以往的拓撲效應如量子霍爾效應不同，拓撲絕緣體等新的拓撲態的存在不需要外加磁場和低溫等物理條件，從而在電子元器件方面具有廣闊的潛在套用。近年來拓撲物態領域發生了一系列重大進展, 具體為從基礎科學研究到實際套用，從拓撲絕緣體到拓撲半金屬，從平衡態到非平衡態，從低維到高維。本項目在具體執行中研究了(1)拓撲絕緣體負微分電阻和非線性回響。我們研究了拓撲絕緣體表面態非線性回響的強度，由此發現了一種新的產生負微分電阻的物理機制，並提出了其在太赫茲信號源和倍頻器上的潛在套用。(2)由反射和旋轉對稱性保護的拓撲半金屬的分類。我們對有時間反演對稱和自旋軌道耦合的拓撲半金屬使用十七個點群中的反射和旋轉對稱性進行了系統的分類。其中共有八種反射對稱性，每四種分別對應垂直和平行於旋轉軸的鏡面。(3)非同構二維人工結構中的線簡併和拓撲第二型狄拉克點。我們在二維光子晶體裡找到了狄拉克線和第二型狄拉克點，其中第二型狄拉克點具有反常反射的獨特性質。在這裡，我們利用了人工結構的形狀可調性使用橢圓柱子構造出了非同構對稱性。(4)人工結構中的非平衡拓撲態。我們提出了一種新的使用交流電電磁鐵的力學系統實現弗洛凱陳數絕緣體的方法，這一系統在實驗上非常簡單可行，並且可以通過控制交流電的強度和相位非常簡便的調製，具有可用肉眼可視化的拓撲邊界態。(5) 受第二陳數保護的糾纏拓撲態。我們提出了一個在普通二維光子晶體裡通過周期性調製諧振腔的半徑，從而構造出受第二陳數保護的糾纏態人工結構。這一結構可以使用普通的厘米尺寸柱子的二維矽光子晶體製造，其中受保護的邊界態可以調製到微波波長範圍內，因此很容易實驗實現。現有3篇SCI論文已發表，還有一篇已被接受，一篇審稿中，研究成果負責人均為第一或通訊作者。特別是關於拓撲半金屬的分類論文在發表一年多後已獲得17次的他引。