拓?fù)浒虢饘俨牧系牡谝恍栽硌芯?/H1>
發(fā)布時間：2020-06-06 00:30
【摘要】：不同于之前發(fā)現(xiàn)的一些材料體系,目前探索的拓?fù)浣^緣體是一種新的材料,它擁有奇異的性質(zhì),比如該材料的體態(tài)是有能隙的,然而它的表面態(tài)卻展示出奇異的金屬性質(zhì)。這類材料的金屬一樣的表面態(tài)在受到時間反演對稱性保護(hù)的狀態(tài)下,在即使在非磁雜質(zhì)散射的情況下也依舊能夠穩(wěn)定存在。金屬表面態(tài)獨(dú)特的性質(zhì)在理論計算和實(shí)驗(yàn)觀測方面已吸引了極大的關(guān)注,不僅僅因?yàn)槔碚撋系闹匾?也因?yàn)樗鼡碛芯薮蟮膽?yīng)用前景。近些年,這種拓?fù)湫再|(zhì)也被擴(kuò)展到了拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域,主要包括狄拉克和外爾半金屬。在大多數(shù)狄拉克或外爾半金屬中導(dǎo)帶和價帶交疊在動量空間的一點(diǎn)。例如目前非常火的兩類材料Na_3Bi和Cd_3As_2,這兩個拓?fù)涞依税虢饘俨牧隙家呀?jīng)被實(shí)驗(yàn)方面的科研工作者所證實(shí)。不過,在節(jié)點(diǎn)線半金屬中,這些靠近費(fèi)米能級的能帶交疊點(diǎn)形成了閉合的線或環(huán)。許多的材料已經(jīng)被提出是節(jié)點(diǎn)線半金屬,包括多層的石墨烯,反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Cu_3PdN化合物等等。這樣的節(jié)點(diǎn)線半金屬態(tài)目前已經(jīng)科研工作者用角分辨光子能譜在PbTaSe_2等材料中觀測到。除上面的材料外,節(jié)點(diǎn)線結(jié)構(gòu)也在光子晶體和自旋液體中被發(fā)現(xiàn)。它們擁有有趣的物理性質(zhì),包含鼓膜一樣的表面態(tài),獨(dú)特的朗道能級,長程庫倫相互作用等等。這些性質(zhì)打開了一條通向高溫超導(dǎo)的重要通道。拓?fù)涔?jié)點(diǎn)線半金屬還會形成一系列的轉(zhuǎn)化。它會在自旋軌道耦合的作用下轉(zhuǎn)變成三維拓?fù)浣^緣體,狄拉克和外爾半金屬。例如CaTe是個節(jié)點(diǎn)線半金屬,當(dāng)考慮自旋軌道耦合時,它會轉(zhuǎn)變成一個狄拉克半金屬。再對它施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變,它會從狄拉克半金屬轉(zhuǎn)化成一個強(qiáng)拓?fù)浣^緣體。近些年,節(jié)點(diǎn)線半金屬這些新奇的物理性質(zhì)在物理學(xué)領(lǐng)域吸引了極大的研究興趣,讓人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)新奇的費(fèi)米子。在本篇論文中,基于第一性原理計算和有效模型分析我們,聚焦在節(jié)點(diǎn)線半金屬和狄拉克半金屬,研究它們新奇的物理性質(zhì)。本論文包括以下內(nèi)容:1我們通過基于全相對論性的第一性原理計算和有效的模型分析,認(rèn)真研究了層狀材料XIn_2P_2(X=Ca,Sr)的拓?fù)湫再|(zhì)。能帶反轉(zhuǎn)能夠被應(yīng)變誘導(dǎo),而不是依靠自旋軌道耦合,形成了一個位于k_z=0平面的圓環(huán),它受到時間反演對稱性和滑移面對稱性的保護(hù)。當(dāng)考慮自旋軌道耦合,節(jié)點(diǎn)線圓環(huán)被打開帶隙,這個節(jié)點(diǎn)線半金屬會演變成一個拓?fù)浣^緣體。我們的研究是很有意義的,從新的方向和視角探究了節(jié)點(diǎn)線半金屬的形成。2通過第一性原理計算并且考慮電子自旋和軌道耦合,我們發(fā)現(xiàn)三維化合物BaGaSnH是一個拓?fù)涞依税虢饘佟Ｔ诳紤]自旋軌道耦合的情況下,一對狄拉克點(diǎn)在動量空間位于(0,0,±0.45)的位置。非常巧合的是我們在費(fèi)米能級上發(fā)現(xiàn)了狄拉克費(fèi)米子,這個發(fā)現(xiàn)意味著實(shí)驗(yàn)觀測到狄拉克費(fèi)米子將會相對簡單。同時,這個狄拉克半金屬態(tài)對應(yīng)變是敏感的,它可以誘導(dǎo)這個化合物從狄拉克半金屬態(tài)轉(zhuǎn)變到平庸的半導(dǎo)體態(tài)。3通過第一性原理計算,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)不考慮自旋軌道耦合時化合物PbO_2是一個拓?fù)涔?jié)點(diǎn)線半金屬。nodal-line圓環(huán)之所以可以穩(wěn)定存在主要是被時間反演和空間反演對稱性所保護(hù)。在三維布里淵區(qū)中,圍繞Γ點(diǎn)有兩個nodal-line圓環(huán),兩個圓環(huán)彼此正交。這是不同于之前的發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)線半金屬,它們擁有一個或三個圓環(huán)。我們也計算出了該化合物100和001方向的鼓膜狀的表面態(tài)。當(dāng)電子的自旋和軌道耦合作用被考慮,這個材料將不再是半金屬,而是會打開一個極小的能隙,轉(zhuǎn)變成一個拓?fù)浣^緣體。因此我們的發(fā)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)探究節(jié)點(diǎn)線半金屬的存在提供了一個良好的平臺。
【圖文】：
用來描述三種物質(zhì)態(tài)的圖。頂圖：最左邊描述了普通的絕緣態(tài)中電子地運(yùn)態(tài)的電子能帶結(jié)構(gòu)，占據(jù)態(tài)價態(tài)和非占據(jù)態(tài)導(dǎo)帶直接有一個能隙是的價：左邊描述處于強(qiáng)磁場下的二維量子霍爾態(tài)中的電子在洛倫茲力下同樣不同于絕緣態(tài)情況的是在體系邊緣處會發(fā)生電子運(yùn)動的跳躍行為，所以態(tài)；右邊表示了量子霍爾態(tài)的電子結(jié)構(gòu)中類似絕緣態(tài)情況在占據(jù)的價態(tài)體能隙，但是不同之處是在能隙之中存在著一個邊緣態(tài)，它將導(dǎo)帶和價旋霍爾態(tài)，自旋相反的電子走在各自不同方向的通道上，但是總電流為文獻(xiàn)[27]。反常霍爾態(tài)們來介紹一般的反�；魻栃�(yīng)。1881年, 霍爾效應(yīng)第一次被Edw鐵, 鈷,鎳等鐵磁性材料進(jìn)行試驗(yàn)觀測時發(fā)現(xiàn)的這種奇異的物理個問題，就是根本不需要在外加磁場的條件下進(jìn)行對霍爾效應(yīng)磁性材料中出現(xiàn)。這是由于樣品本身具有長程的鐵磁序, 這樣
的雜質(zhì)的作用、聲子的散射作用給忽略掉，認(rèn)為它們不會對該效應(yīng)產(chǎn)生影響效應(yīng)的出現(xiàn)完全是因?yàn)樵摬牧舷到y(tǒng)本身具有的一種的本征性質(zhì)。另一類是外是指外界的條件導(dǎo)致該效應(yīng)的出現(xiàn)。例如 Smit 等人提出了反�；魻栃�(yīng)的kew scattering)機(jī)制[35]，和 1970 年 Berger 提出的邊跳(side jump)機(jī)制[36]，外系統(tǒng)的雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。盡管這兩類機(jī)制的爭論還一直持續(xù)著，但是到 20自旋電子學(xué)的研究有了新的發(fā)展，，引起人們的關(guān)注。認(rèn)為自旋軌道耦合作用的時間反演對稱性才導(dǎo)致的反�；魻栃�(yīng)。并且理論工作也逐漸完善，貝里性質(zhì)也息息相關(guān)，它會導(dǎo)致反常霍爾效應(yīng)在該材料中出現(xiàn)，所以應(yīng)該說它是制。 通過對 Sr2RuO3系統(tǒng)[37]及金屬 Fe[38]中的反�；魻栃�(yīng)進(jìn)行的定量的第算研究, 都證實(shí)了這種內(nèi)稟機(jī)制的主導(dǎo)作用。隨后越來越多的實(shí)驗(yàn)與理論研這種基于貝里相位的內(nèi)稟機(jī)制的正確性。這種內(nèi)稟機(jī)制對于我們后面將要討反�；魻栃�(yīng)至關(guān)重要。
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB30
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本文編號：2698847
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【圖文】：
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2 記者 吳月輝;中國科學(xué)家獲重大突破[N];人民日報海外版;2016年
3 記者 劉歡;量子模擬計算速度將超世界最快計算機(jī)[N];北京日報;2016年
4 記者 吳月輝;超冷原子量子模擬領(lǐng)域我國科學(xué)家獲重大突破[N];人民日報;2016年
相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條
1 王亮亮;雙層自旋軌道費(fèi)米氣體中的拓?fù)涑魈匦訹D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2017年
2 董召陽;自旋軌道耦合系統(tǒng)中奇異量子相與自旋動力學(xué)的研究[D];南京大學(xué);2018年
3 付正坤;量子簡并費(fèi)米氣體中的自旋軌道耦合[D];山西大學(xué);2014年
4 徐馥芳;碳納米管結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)特性研究[D];清華大學(xué);2007年
5 王春明;二維自旋軌道耦合系統(tǒng)中自旋霍爾效應(yīng)以及相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的研究[D];上海交通大學(xué);2008年
6 杜永平;強(qiáng)自旋軌道耦合體系的第一性原理研究[D];南京大學(xué);2016年
7 吳凡;超冷費(fèi)米氣體中的奇異配對態(tài)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年
8 李源;具有自旋軌道耦合的二維電子系統(tǒng)自旋動力學(xué)的研究[D];浙江大學(xué);2008年
9 陳光平;自旋軌道耦合偶極冷原子氣體的物性研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時中心);2017年
10 張奕;非中心對稱超導(dǎo)體自旋軌道耦合以及dHvA效應(yīng)研究[D];浙江大學(xué);2017年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 王震委;拓?fù)浒虢饘俨牧系牡谝恍栽硌芯縖D];河南師范大學(xué);2018年
2 萬怡方;高效熱活化延遲熒光材料的設(shè)計與探索[D];南京郵電大學(xué);2018年
3 高斌斌;串聯(lián)耦合雙量子點(diǎn)中有效自旋軌道耦合場依賴的電子計數(shù)統(tǒng)計[D];太原理工大學(xué);2018年
4 姚群芳;二維過渡金屬硫化物中Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)的第一性原理研究[D];華東師范大學(xué);2017年
5 張鵬;自旋軌道耦合作用下二維超冷費(fèi)米氣體的零溫特性[D];山西大學(xué);2017年
6 張華;自旋軌道耦合下三組份三維費(fèi)米氣體超流態(tài)研究[D];華中師范大學(xué);2016年
7 劉聰明;二維自旋軌道耦合下拓?fù)浒虢饘俚牧孔幽M[D];山西大學(xué);2017年
8 王俊;具有自旋軌道耦合的一維冷原子費(fèi)米氣中的量子相以及無序效應(yīng)研究[D];浙江師范大學(xué);2015年
9 韓慧;銥基化合物中的自旋軌道耦合和自旋阻挫效應(yīng)研究[D];安徽大學(xué);2015年
10 程旦旦;自旋軌道耦合下三維三組份費(fèi)米氣體FF超流態(tài)研究[D];華中師范大學(xué);2017年
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