《量子反常霍爾效應的第一性原理研究》是依託復旦大學，由楊中芹擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：量子反常霍爾效應的第一性原理研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊中芹
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
量子反常霍爾（QAH）體系是不具有時間反演對稱的拓撲絕緣體，其體電子態絕緣而邊緣是由體拓撲特性驅動的無能隙金屬態。由於邊緣態不存在雜質導致的背散射，因此其在低耗散電子器件套用方面具有重要前景。目前實驗實現的QAH效應觀測溫度很低（幾十mK）,對樣品製備要求亦極高,離套用有較大距離，有必要對其開展進一步研究。本項目擬基於密度泛函理論結合Wannier函式方法對QAH態進行探索，研究對象主要為二維表面修飾體系和異質結。通過Berry曲率、陳數、邊緣態、反常霍爾電導率等的計算，探索出具有較大能隙和/或高陳數的QAH新體系，通過緊束縛模型等分析機制。預言並探討與QAH態相關的新拓撲電子態，如量子自旋量子反常霍爾態、谷極化QAH態,量子谷霍爾態等，及它們之間可能的相變。並在QAH態基礎之上探討Weyl半金屬態。本項目開展將有助於人們深入理解這一奇異的拓撲態、促進其在實驗上的觀測和實際器件中的套用。
結題摘要
量子反常霍爾（QAH）體系是不具有時間反演對稱的拓撲絕緣體，其體電子態絕緣而邊緣是由體拓撲特性驅動的無能隙金屬態。由於邊緣態不存在雜質導致的背散射，因此其在低耗散電子器件套用方面具有重要前景。因為實現條件苛刻，在實驗上觀測到QAH效應的體系很少，因此，有必要對這一效應進行廣泛探究並發現新的QAH系統。本項目基於密度泛函理論、Wannier函式方法及理論模型對QAH態、新穎機制、相關拓撲電子態及它們之間可能相變進行了深入、系統研究。我們開創性地提出了系列異質結體系，這些體系不僅具有QAH效應，還具有容易製備、大能隙、高陳數等優異性能，包括：沒有能帶翻轉的QAH絕緣體PbC/MnSe異質結,帶隙達到244 meV，帶隙中具有高的費米速度、完全自旋極化的邊緣態，其新穎的拓撲特性來源於two-meron結構的贗自旋渦旋；實驗上容易製備、具有高陳數的石墨烯/Cr2Ge2Te6 van der Waals異質結，體系的陳數隨著層厚增加而增加；無磁性原子參與的奇異QAH絕緣體SnH/PbI2。基於緊束縛模型我們給出了描述px,py軌道的Rashba自旋軌道耦合形式，並實現了對量子自旋量子反常Hall（QSQAH）雜化態的深入描述，首次給出其自旋流邊緣態不同於電荷流邊緣態的獨特特性。在Bi單層中實現了破記錄的500多meV的巨大谷極化效應及多重Hall效應。提出的拓撲態“相長”或“相消”耦合效應可很好解釋Pb烯不同於其它四族單層具有的拓撲平庸電子態的原因。我們還發展算法及描述方法分別在Pb,Sn單層堆疊起來的體系及最近的二維明星材料黑磷中實現了Dirac和Nodal-line半金屬特性，並對其拓撲特性進行了表征。項目所取得的這些成果能夠很好地幫助人們理解QAH效應及相關拓撲電子結構，可大大促進拓撲電子態在實驗上的觀測和在未來低功耗電子器件中的套用。
