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简单判据实现拓扑绝缘体的快速筛选| Science Bulletin

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IMAGE: 武汉大学刘惠军教授、中科院金属所陈星秋研究员和中科大张振宇教授的合作团队提出了一个快速筛选拓扑绝缘体的简单判据,对未来合成新的拓扑量子材料有指导意义。该成果已在Science Bulletin 2017年第24期作为封面文章报道,武汉大学博士生曹国花为论文第一作者。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

拓扑物态是一类新的、迅速发展的量子物质形态,包括拓扑绝缘体、拓扑晶体绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属、节线半金属等等。由于具有诱人的物理特性和应用前景,这些量子物质在凝聚态物理和材料科学领域引起了人们的广泛关注。一般来说,对某个材料拓扑性质的确定通常是比较复杂的,因为这依赖于详细的电子结构和贝利曲率的计算,并由此导出合适的拓扑不变量。材料的拓扑特性与电子能带结构中是否出现能带反转密切相关的。对于大多数拓扑材料,能带反转已被证明是由不同的物理因素包括化学键、晶体场、特别是自旋-轨道耦合的协同作用引起的。特别地,对于已被广泛研究的三维拓扑绝缘体,自旋-轨道耦合效应在诱发能带反转中起着至关重要的作用。近年来,科学家提出了几种高通量筛选拓扑绝缘体的方法。比如利用一个特定的描述符,美国杜克大学的研究人员预测了几十个具有潜在非平庸拓扑特性的材料。尽管如此,这些方法仍然依赖于第一性原理的能带结构计算,实施起来并不简单。

最近,武汉大学刘惠军教授、中国科学院金属研究所陈星秋研究员和中国科学技术大学张振宇教授的合作团队提出了一个快速筛选拓扑绝缘体的简单有效判据。这个判据与自旋-轨道耦合效应引起的能带反转机制密切相关,只需要组成元素的两个基本物理参数,即原子序数和鲍林电负性就可以唯一确定,完全不用复杂的第一性原理能带结构计算。这个判据的基本思想是:(1)材料的带隙主要是由组成元素的化学键和晶体场劈裂所打开的,而自旋-轨道耦合效应倾向于降低导带、提升价带从而导致能带反转的发生。(2)如果某个材料具有较大的自旋-轨道耦合强度和较小的带隙,则能带反转易于发生从而有可能表现出拓扑绝缘性质;临界情形是:材料的自旋-轨道耦合强度和晶体场劈裂带隙大小相当。(3)根据自旋-轨道耦合强度与原子序数、晶体场劈裂带隙与鲍林电负性的关系,他们定义了一个非常简单的Δ比值判据(Δ =0.0184Z/ Δ {&Chi},即正比于组成元素的平均原子序数Z除以电负性差Δ {Χ}),研究发现比值大于1的材料就可能是潜在的拓扑绝缘体。利用这个判据,他们准确预测了辉碲铋矿族化合物及半哈斯勒化合物体系中许多已知和潜在的拓扑绝缘体,其所蕴含的原理也可借鉴到其它拓扑材料的快速筛选,对未来合成新的拓扑量子材料有很好的指导意义。

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Guohua Cao, Huijun Liu, Xing-Qiu Chen, Yan Sun, Jinghua Liang, Rui Yu, Zhenyu Zhang. A simple and efficient criterion for ready screening of potential topological insulators. Science Bulletin, 2017, 62(24):1649-1653 https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.11.016

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