25385.拓撲半金屬的第一性原理研究

1、作者姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)位類別：學(xué)科專業(yè)：中國科學(xué)院大學(xué)UniVersityofChineseAcademyofSciences博士學(xué)位論文拓撲半金屬的第一性原理研究王志俊方忠研究員戴希研究員理學(xué)博士理論物理研究所：——中國科學(xué)院物理研究所2014年5月摘要拓撲(外爾或狄拉克1半金屬是三維材料里的一類新的量子拓撲態(tài)，不同于三維拓撲絕緣體(TI)，其低能有效模型為Wbyl／Dirac費米子，費米面上僅有孤立的點，投影到表面會出現(xiàn)費米弧。這個

2、三維的兩分量的W爸yl費米子的有效哈密頓量形式為，砌=u孑尼，其中廳是泡利矩陣，石為晶體動量，其中的各個方向的費米速度鈔給出了兩類不同手征(左旋或右旋)的Weyl費米子。在三維動量空間中，Wevl費米子由于不能再引入其他的質(zhì)量項，是可以穩(wěn)定存在的拓撲態(tài)，可以被有效的看成動量空間的磁單極子。為了得到Weyl半金屬，時間反演對稱性fTR)或者中心反演對稱需要被破壞。然而，對于時間反演不變的體系，我們就期望出現(xiàn)三維的Dirac半金屬，其有效哈

3、密頓量為四分量形式，／。，芹in、嘞=l。。。l，它可以被簡單的看成兩不同手征的w|eyl費米子穩(wěn)＼、o一可孑憊／定的重合在了同一個動量k點。一般來說，Dirac半金屬要穩(wěn)定存在，就必須有其他的對稱性來保護。在本文中，我們主要討論Wbyl半金屬和Dirac半金屬材料及其相關(guān)的新奇量子現(xiàn)象。首先，我們介紹了常用的數(shù)值計算和理論分析方法，包括：基于密度泛函理論的第一性原理方法，近年發(fā)展比較迅速的、Ⅳannier函數(shù)方法和非常有效的后p模型分

4、析方法。本文的工作都是利用第一性原理計算和模型分析方法開展的。其次，我們預(yù)言了鐵磁的尖晶石材料HgCr2Se4是三維的Wreyl半金屬。在HgCr2Se4材料中，只有自旋取向跟磁化方向一致的那一半能帶形成了反帶結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在該體系的能帶在沿Z軸的兩個互為反演的點上形成W色yl費米子的特殊結(jié)構(gòu)，Weyl費米子是Dirac費米子的一半，是拓撲上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在空間維度是三維的情況下，任何保持平移對稱的微擾項都不能使得能隙打開，而只能使交叉點