多重拓扑费米子共存的拓扑电子材料设计与开发

作     者：徐龙 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张小明

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：第一性原理计算 拓扑费米子 节线半金属 外尔半金属 拓扑表面态 

摘      要：拓扑电子材料蕴含着多种类型非平庸费米子,具有丰富的物理特性包括高电子迁移率、手性反常、非平庸表面态、特殊磁、光响应等,在量子计算等领域具有重要应用前景。当前已被开发的拓扑材料中,大多在费米能级附近只具有一类拓扑费米子,缺失了多种非平庸费米子共存于同一材料中可实现的拓扑物性多样性与潜在的费米子间关联效应。在此背景下,本论文基于第一性原理计算方法,设计与开发具有多重拓扑费米子共存的拓扑电子材料,并对它们的拓扑电子能带结构与特性展开研究。本论文工作开发出多个体系拥有多重拓扑费米子共存的候选材料。候选材料覆盖三维、二维、以及磁性体系。拓扑费米子涉及不同能带交叉维度与多种能带色散关系。首先,在拥有四方晶体结构的Pd O和AB(A=Cr,Mo;B=Si,Ge)系列材料中开发出零维节点与一维节线共存的拓扑半金属材料。在费米能级附近,它们的电子能带结构展现出多重能带交叉特点。在布里渊区中同时形成了孤立的零维节点(包括狄拉克点和三重简并点)和连续的一维节线,实现了不同维度拓扑费米子在单一材料的共存。相应地,它们具有费米弧和鼓膜状表面态共存与耦合的特点。此外,本论文工作还在两种硫化物(Ti S和PdS)实现了具有不同能带色散关系的一维节线的共存。尤其Ti S中存在着多重一维的节线,但它们附近能带展现出不同的倾斜度,可以区分为type-I型节线、type-II型节线和hybrid型节线。它们的鼓膜状表面态和弱自旋轨道耦合能隙的特点。不同类型节线拥有迥异的物理性质,本文开发出的Ti S材料是首个可以在单一材料中实现全部三种类型节线共存体系。除了上述几个三维非磁性材料体系外,本论文还在Mn(CO)、CrC以及Eu O三个磁性二维材料体系中实现多重拓扑费米子的共存。这些材料具有高的稳定性和铁磁性,并在费米能级附近同时具有type-I型和type-II型的外尔费米子。尤其它们的拓扑态可以通过操控磁场方向实现调节,将可控的不同外尔态与物性融合在单一材料。本论文研究工作不仅为多重拓扑费米子共存拓扑电子材料的开发提供了指导,还将为这类拓扑电子材料在拓扑相操控、自旋电子器件等方面的应用提供理论基础。