华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心
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徐刚教授在拓扑半金属的研究上取得重要进展

发布日期:2017-09-22    作者:     来源:     点击:

(通讯员 冯奥博 胡浩)9月19日,国际权威期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,简称PNAS)在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授题为《蜂窝状晶格LnSI中的拓扑半金属态》(Topological semimetal in honeycomb lattice LnSI,Doi:10.1073/pnas.1713261114)的论文。该成果由徐刚教授与美国斯坦福大学的聂思敏博士后、Fritz B. Prinz教授、张守晟教授合作完成,徐刚教授为通讯作者,华中科技大学为第一署名单位。

作为全新的量子物态,拓扑半金属材料因其丰富奇特的电子特性(如费米弧的存在)以及在未来自旋电子器件中的潜在应用价值,在世界范围内得到了广泛关注,相关研究在基础物理和应用物理两个方面均有重要意义。从理论预言到实验证实,以HgCr2Se4、TaAs等为代表的外尔半金属一直是凝聚态物理的研究热点。但是,目前已发现的外尔半金属中,其费米能级附近的能带结构非常复杂,存在大量外尔节点和普通费米面共存的现象,这给费米弧的实验观测和负磁阻的物理起源研究带来了许多争议。因此,研究者们迫切渴望找到具有简单能带结构的理想外尔半金属。为此,徐刚教授与合作者构造了一种特殊的三维蜂窝状模型,对其拓扑性质进行了理论分析与研究。研究发现,该模型可以实现丰富多样的拓扑物态,包括理想外尔半金属、三维拓扑绝缘体、节点线半金属以及外尔点和节点线共存的新型拓扑半金属。沿着这一思路,并结合第一性原理计算,徐刚教授等发现LnSI (Ln=Lu, Y和Gd)系列材料的电子结构完全符合上述模型,并具有相应的非平庸拓扑态;其中LuSI、YSI是三维拓扑绝缘体,GdSI是只有两对外尔节点且存在两条长费米弧的理想外尔半金属。该项研究提出了一种新的外尔节点的形成机制,为设计和寻找拓扑半金属指明了新方向,其预言的理想外尔半金属GdSI引起了多个实验组的巨大兴趣,为外尔物理的研究及相应的电子器件设计提供了一个理想平台。

徐刚教授于2016年10月回国来我校任教,2017年入选国家“青年千人”计划,现为国家脉冲强磁场科学中心强磁场物理研究所负责人,主要从事凝聚态理论研究及奇异量子材料的计算模拟。此前,徐刚教授已在铁基超导体、拓扑物质态等领域取得了多项重要研究成果,发表SCI论文35篇,其中包括Physical Review Letters、Nature子刊等国际权威期刊15篇。在拓扑物质态方面的研究成果包括:1)把凝聚态中电子态按照拓扑分类的概念从绝缘体推广到了半金属,首先提出双外尔半金属的概念(Phys. Rev. Lett 107, 182806)。2)设计了两种实现高温量子反常霍尔效应的新方案(Nano letters 15 (3), 2019-2023;Phys. Rev. Lett 115, 186802)。3)提出两种实现拓扑超导态的新方案(Phys. Rev. Lett 117, 047001)。进校以来,徐刚教授依托国家脉冲强磁场科学中心的平台优势,与物理学院凝聚态方向的老师广泛合作,成立了强磁场相关理论物理研究团队,搭建了科学计算模拟平台,积极开展凝聚态物理领域的科学研究,为强磁场下物理实验研究提供理论支撑,推动强磁场下前沿、基础科学研究的发展。

该研究工作得到了国家“千人计划”青年项目、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接:www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1713261114