科研成果

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    凝聚態物理團隊在強關聯拓撲研究方面取得進展

    來源 : 理學院     作者 : 理學院     時間 : 2020-05-13  訪問量 : 198

    凝聚態物理研究是當代物理學研究最活躍的領域之一,也是材料科學的基石。當代凝聚態物理研究的基礎主要是由著名前蘇聯物理學家朗道(1962年諾貝爾物理獎獲得者)建立的朗道費米液體理論和朗道對稱性破缺相變理論?;谶@兩個理論的研究范式在大量的凝聚態材料研究中獲得了巨大的成功。當代凝聚態物理研究直接導致了半導體工業革命,衍生出包括固態激光技術、磁性存儲技術等在內的大批現代科技產業。

    隨著凝聚態物理研究的逐漸深入,這一研究范式的局限性也逐漸顯現出來。首先是朗道費米液體理論。在許多的鑭系/錒系化合物中,其4f/5f電子由于強烈的關聯效應導致集體行為,這些電子在低溫下具有成百倍甚至上千倍自由電子的有效質量,因此又被稱為重費米子。尤其是在量子臨界點附近,其低能激發行為偏離了朗道費米液體理論的范疇。1979年,德國科學家Frank Steglich等人首次在重費米子材料CeCu2Si2中發現了超導現象,是第一個無法用傳統BCS超導理論解釋的非常規超導體。其次是隨著量子霍爾效應被發現(1985年諾貝爾物理獎),一系列無法用對稱性破缺解釋的物理現象導致了對拓撲相變和材料拓撲物性(2016年諾貝爾物理獎)的研究。尤其是近10年來,對材料能帶拓撲性質的研究呈現了井噴的狀態。在這些研究中,對強關聯體系的能帶拓撲性質研究一直是重點和前沿問題之一。

    423,我校凝聚態物理團隊與美國Los Alamos國家實驗室朱建新研究員合作的論文《From Trivial Kondo Insulator Ce3Pt3Bi4 to Topological Nodal-Line Semimetal Ce3Pd3Bi4物理學頂級期刊Physical Review Letters2018年期刊影響因子9.227,  DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.166403上發表。非中心對稱的A3B3C4是近年來強關聯能帶拓撲性質研究中的一類“明星”材料。早期的研究表明,由于這類材料中的非點群對稱性及其中心反演對稱性的缺失,這些材料中很有可能出現非平庸的能帶拓撲結構。但是由于這類材料屬于強關聯的重費米子體系,對其電子結構的計算一直是一個難題。2018年暑期,團隊成員曹超教授訪問美國Los Alamos國家實驗室期間,與朱建新研究員一起,使用先進的DFT+DMFT方法對這一類體系中的兩個典型材料Ce3Pt3Bi4Ce3Pd3Bi4進行了電子結構及能帶拓撲性質的研究。他們的研究表明,由于巡游電子與局域Ce-4f電子的雜化作用,兩類材料的電子結構均有強烈的溫度依賴關系,呈現出典型的近藤行為。其中,Ce3Pt3Bi4中的雜化作用更為強烈,當溫度降低至36K左右,其能帶在費米能附近會打開一個近藤能隙,從而導致金屬-近藤絕緣體的相變[如圖1所示]。通過計算其能帶拓撲指數可知其是一個拓撲平庸的近藤絕緣體。而在Ce3Pd3Bi4中,由于Pd-4d軌道半徑顯著地小于Pt-5d軌道半徑,其雜化作用顯著降低,因此直到4K左右也沒有觀察到近藤能隙的打開[如圖2所示]。而在這一溫度下,由于其非點群對稱性的存在,其能帶會形成拓撲非平庸的節點線(nodal-line) [如圖3所示]。這一成果表明有可能通過對局域/巡游電子雜化進行調節而實現強關聯體系中的能帶拓撲相變。

    本項目的研究得到了國家自然科學基金、973青年科學家專項及美國能源部相關基金的大力支持。

    圖 1. Ce3Pt3Bi4隨溫度變化的電子結構

    圖 1. Ce3Pt3Bi4隨溫度變化的電子結構


    圖 2. Ce3Pd3Bi4隨溫度變化的電子結構

    圖 2. Ce3Pd3Bi4隨溫度變化的電子結構


    圖 3. Ce3Pd3Bi4在4K時能帶結構的非平庸節點線

    圖 3. Ce3Pd3Bi4在4K時能帶結構的非平庸節點線


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