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科研成果

凝聚态物理团队在强关联拓扑研究方面取得进展

来源 : 理学院     编辑 : 理学院     时间 : 2020-05-13  访问量 : 198

凝聚态物理研究是当代物理学研究最活跃的领域之一,也是材料科学的基石。当代凝聚态物理研究的基础主要是由著名前苏联物理学家朗道(1962年诺贝尔物理奖获得者)建立的朗道费米液体理论和朗道对称性破缺相变理论。基于这两个理论的研究范式在大量的凝聚态材料研究中获得了巨大的成功。当代凝聚态物理研究直接导致了半导体工业革命,衍生出包括固态激光技术、磁性存储技术等在内的大批现代科技产业。

随着凝聚态物理研究的逐渐深入,这一研究范式的局限性也逐渐显现出来。首先是朗道费米液体理论。在许多的镧系/锕系化合物中,其4f/5f电子由于强烈的关联效应导致集体行为,这些电子在低温下具有成百倍甚至上千倍自由电子的有效质量,因此又被称为重费米子。尤其是在量子临界点附近,其低能激发行为偏离了朗道费米液体理论的范畴。1979年,德国科学家Frank Steglich等人首次在重费米子材料CeCu2Si2中发现了超导现象,是第一个无法用传统BCS超导理论说明的非常规超导体。其次是随着量子霍尔效应被发现(1985年诺贝尔物理奖),一系列无法用对称性破缺说明的物理现象导致了对拓扑相变和材料拓扑物性(2016年诺贝尔物理奖)的研究。尤其是近10年来,对材料能带拓扑性质的研究呈现了井喷的状态。在这些研究中,对强关联体系的能带拓扑性质研究一直是重点和前沿问题之一。

423我校凝聚态物理团队与美国Los Alamos国家实验室朱建新研究员合作的论文《From Trivial Kondo Insulator Ce3Pt3Bi4 to Topological Nodal-Line Semimetal Ce3Pd3Bi4物理学顶级期刊Physical Review Letters2018年期刊影响因子9.227  DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.166403上发表。非中心对称的A3B3C4是近年来强关联能带拓扑性质研究中的一类“明星”材料。早期的研究表明,由于这类材料中的非点群对称性及其中心反演对称性的缺失,这些材料中很有可能出现非平庸的能带拓扑结构。但是由于这类材料属于强关联的重费米子体系,对其电子结构的计算一直是一个难题。2018年暑期,团队成员曹超教授访问美国Los Alamos国家实验室期间,与朱建新研究员一起,使用先进的DFT+DMFT方法对这一类体系中的两个典型材料Ce3Pt3Bi4Ce3Pd3Bi4进行了电子结构及能带拓扑性质的研究。他们的研究表明,由于巡游电子与局域Ce-4f电子的杂化作用,两类材料的电子结构均有强烈的温度依赖关系,呈现出典型的近藤行为。其中,Ce3Pt3Bi4中的杂化作用更为强烈,当温度降低至36K左右,其能带在费米能附近会打开一个近藤能隙,从而导致金属-近藤绝缘体的相变[如图1所示]。通过计算其能带拓扑指数可知其是一个拓扑平庸的近藤绝缘体。而在Ce3Pd3Bi4中,由于Pd-4d轨道半径显著地小于Pt-5d轨道半径,其杂化作用显著降低,因此直到4K左右也没有观察到近藤能隙的打开[如图2所示]。而在这一温度下,由于其非点群对称性的存在,其能带会形成拓扑非平庸的节点线(nodal-line) [如图3所示]。这一成果表明有可能通过对局域/巡游电子杂化进行调节而实现强关联体系中的能带拓扑相变。

本项目的研究得到了国家自然科学基金、973青年科学家专项及美国能源部相关基金的大力支撑。

图 1. Ce3Pt3Bi4随温度变化的电子结构

图 1. Ce3Pt3Bi4随温度变化的电子结构


图 2. Ce3Pd3Bi4随温度变化的电子结构

图 2. Ce3Pd3Bi4随温度变化的电子结构


图 3. Ce3Pd3Bi4在4K时能带结构的非平庸节点线

图 3. Ce3Pd3Bi4在4K时能带结构的非平庸节点线


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