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          北理工博士以共同一作在國際頂級期刊Nature發表研究成果

          發布日期: 2022-04-28 瀏覽量:

          近日,十大電子娛樂網站物理學院2016級博士研究生馬大帥作為共同一作與合作者在拓撲平帶的領域取得新進展。相關研究成果“Catalogue of flat-band stoichiometric materials”在國際頂級刊物《Nature》上發表。

          拓撲非平庸平帶指那些具有非平庸拓撲性質且在布里淵區中色散被束縛在一個狹窄的能量窗口內的電子能帶。在拓撲非平庸平帶的體系中,電子之間的多體相互作用將會取代電子動能而起到主導作用,這導致在此類體系中將表現出新奇的物理特性,如分數量子霍爾效應、關聯絕緣態、非傳統超導等。目前拓撲非平庸平帶的實驗實現局限于轉角體系(如雙層轉角石墨烯)。然而,轉角體系實驗操控困難,電子密度低等特點限制了其在拓撲非平庸平帶及與高電子密度相關的物理效應方面的進一步研究。因此對于本征的拓撲非平庸平帶的預測尤為重要。


          圖1 具有不同拓撲態的平帶的電荷在實空間的分布。


          為了尋找處于費米能級附近的拓撲非平庸平帶,文章首次給出了在體系中判斷能帶平坦度的標準并利用此標準對無機晶體結構數據庫中的55206種體系的電子特性及其拓撲特性進行了高通量研究。文章給出了6338個ICSD(對應于2379種材料)中具有平帶特性。以尋求具有實驗合成潛力的材料載體為初衷,文章進一步挑選出了345中備選體系。平帶材料數據庫Materials Flatband Database website (MFBDB:https://www.topologicalquantumchemistry.fr/flatbands/) 作為文章的另一個重要成果列舉了55206種ICSD的平帶特性。所有體系中能帶的拓撲性質可在拓撲量子化學數據庫(https://www.topologicalquantumchemistry.org)中訪問。

          為了理解材料體系中平帶的起源,文章對具有平帶體系的晶格類型進行了細致的討論并首次提出了S矩陣方法。文章指出在Kagome晶格、Lieb晶格、燒綠石晶格、二分圖晶格以及劈裂圖晶格中將具有拓撲非平庸平帶。通過對345種代表性平帶材料晶格結構研究發現,73.87%的體系包含以上五種特殊晶格中的至少一種。文章首次提出S矩陣方法,系統地揭示了以上五種特殊晶格中拓撲非平庸平帶的起源,并通過第一性原理計算和有效模型方法對具有五種特殊晶格的平帶體系進行了詳細的分析。

          文章不僅列舉了拓撲非平庸平帶體系的電子和結構信息,還給出了體系的磁性和超導特性。文章的發表將推動關于本征拓撲非平庸平帶的材料實現及其潛在應用等相關領域的研究進展。


          圖2 文中以及MFBDB中包含豐富信息的能帶結構和投影態密度圖示例。


          該論文工作發表在物理學頂尖期刊 Nature 603, 824–828 (2022)。普林斯頓大學B. Andrei Bernevig、Nicolas Regnault、宋志達,德國馬普所微結構物理所徐遠峰,清華大學物理系李明瑞,十大電子娛樂網站物理學院馬大帥,巴斯克大學Luis Elcoro對論文做出同等貢獻。


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