研究方向
计算凝聚态物理：
● 拓扑体系电子结构、自旋轨道耦合效应的理论研究
● 纳米结中量子电荷、自旋输运性质的理论研究
基于密度泛函理论、Wannier 函数方法以及拓扑量子化学理论，课题组研究新型材料的拓扑特性，包括贝里曲率、陈数、边界态以及霍尔电导等。我们预测并理解了一些非平凡的拓扑态，例如量子反常霍尔（QAH）效应、谷霍尔态（VHS）、狄拉克与外尔半金属以及高阶拓扑态等。我们还研究了自旋电子学中自旋–轨道耦合（SOC）的效应，包括自旋极化、自旋霍尔效应和自旋电流。我们发展了一种数值方法，用于处理具有边界和界面的 SOC 样品的自旋输运问题。针对纳米结构中的量子输运，我们研究其 I-V 特性、局域加热、电流诱导原子受力以及量子点接触中的散粒噪声。同时，还研究了近年来热点材料石墨烯的电子输运性质。
研究进展
在洪德金属体系中实现电子多体效应诱导的高温QAH效应 （2024）
多体效应在凝聚态物理中一直是研究的重点和难点，也是容易产生有趣性质的驱动力之一。这里我们探究来自洪德（Hund）相互作用的多体效应与拓扑电子态之间的关联机制，首次提出Hund金属是实现拓扑非平庸电子态的良好材料平台。经研究发现范德华材料MgFeP为Hund金属，其同时为高温QAH绝缘体。MgFeP/LiOH构成的范德华异质结呈现高温QAH绝缘体。单层MgFeP的轨道投影态密度图表征了Hund金属特有的轨道选择Mott相：局域性dxz/yz和dx2-y2轨道的占据与非占据态密度尖峰之间打开一个Mott带隙；巡游性dxy和dz2轨道的态密度跨过了费米面，形成自旋下半金属通道。MgFeP的磁结构基态是面外铁磁，体系铁磁居里温度超过1500 K。基于关联增强SOC理论分析并借助面内双轴应变或面外压缩，我们将磷元素p轨道移动靠近dx2-y2轨道以增大它们的库伦排斥能，通过这种轨道选择效应使体系非平庸能隙从56 meV增加到137 meV。可见，多体关联效应在一定条件下可以很好优化体系的拓扑电子态性能。工作发现的材料可以作为范德华同质或异质结拓扑材料设计的基本单元，为实现高温QAH态提供新的理论思路。
论文发表在国际核心期刊Nano Lett.上 (Yao et al., Nano Lett. 24, 1563 (2024)), 论文第一作者是姚清照同学。
应变调控实现铁谷绝缘体-半谷金属-陈绝缘体的拓扑相变 （2021）
二维四族和五族单质材料，如石墨烯、Si烯、Pb烯, Bi烯等可以形成六角格子，一般具有的谷自由度，可出现新颖的谷电子学效应。本研究，我们构造了具有六角格子的单层MBr2 (M = Ru, Os)材料。单层MBr2具有单层1H-MoS2材料一样的三明治结构，它具有D3h点群。为了研究其动力学和热力学稳定性，分别计算了体系的声子谱和分子动力学模拟，两体系的声子谱都没有振动软模出现，表明体系动力学的稳定性。分子动力学模拟显示两材料热力学上也是稳定的。单层MBr2的基态为铁磁结构，由于体系没有空间反演对称性，所以K+与K-两个高对称点在SOC效应的作用下，能级简并被打开，定义K+与K-导带低的能级差为谷极化强度。研究发现MBr2 (M = Ru, Os)是内秉的铁谷材料，具有超大的530 meV的谷极化。
施加应变是物理问题研究常采用的调控手段，我们模拟单层RuBr2在双轴应变下的能带演化情况。在压缩应变为1.6%和2.8%的时候，分别出现了一个能谷关闭的同时，另一个能谷打开的情况，这种状态便是半谷金属，实现100%谷极化。此时如果向晶体入射旋光，那么将会产生关闭的谷完全反射入射光的现象。非常有趣的是，在这两个相变点之间，出现了QAH效应（陈绝缘体）。这一QAH效应区别与传统的QAH边缘态具有奇异的手性-自旋-谷锁定的边界态。OsBr2体系具有类似效应，因为SOC较强，发生半谷相变的应变强度变小。可见，这两体系通过应变工程可很容易出现多级相变。通过构造两带的kp模型可很好解释体系的拓扑相变。工作为实现完全自旋极化、完全谷极化并同时具有拓扑特性的微电子器件或光电子器件提供理论参考。
工作发表在国际核心期刊Phys. Rev. B上（Huan et al,,Phys. Rev. B 104, 165427 (2021)），论文第一作者为郇昊同学，论文已被引用约100次。
解释Pb烯体系不同于其他四族单层具有拓扑平庸电子态的原因（2019）
低皱褶的Pb烯不同于同族的石墨烯-锡烯等，不是量子自旋Hall（QSH）绝缘体，然而对这一结果如何理解没有报道。研究发现，Pb烯的能带的确与同族的单原子层的不同，在费米能级处除了在布里渊区的K点形成线性的Dirac能带，还在Γ点还形成抛物线型的由晶体结构对称性决定的px,py二度简并能带。对于这样一个特殊的能带，有必要构造理论模型对机制进行深入研究。
我们以Pb的自旋极化s,px,py,pz为基,通过二次量子化的形式构造出了体系的紧束缚哈密顿量，其包括hopping、自旋轨道耦合及磁交换三项。Hopping项仅考虑最近邻跃迁，其积分参数由Slater-Koster 积分表示。模型中的参数通过与密度泛函能带结果进行拟合得到。然后在此基础上根据Kubo公式计算自旋陈数，实现了对体系的电子态进行深入研究。基于构建好的紧束缚模型和第一性原理计算方法，我们研究了低褶皱铅烯特殊的能带色散构型。在不考虑自旋轨道耦合之前，在费米面附近，铅烯存在两种类型的色散，分别为K/K’附近的Dirac色散，与硅烯类似，以及在Γ点附近的非Dirac色散。通过边界态的计算发现其的确是拓扑平庸的电子态。在紧束缚模型中，通过施加一个M=5.5 eV的交换场，将自旋向上和自旋向下的能带劈裂开,并分别计算自旋上和下子空间中能隙位置处的贝里曲率,得到陈数分别为+2和-2。发现，由于Γ和K/K’点均贡献了相同符号的贝里曲率，任一自旋空间的陈数为偶数，因此，Γ和K/K’点的耦合效应可以称之为“相长耦合”效应，但这一“相长耦合”效应最终导致了铅烯Z2=0的拓扑平庸的物理特性，清楚解释了体系拓扑平庸态的起源。若通过饱和乙炔基团，打破了这一“相长耦合”效应，即可预言铅烯可以发生拓扑相变，由拓扑平庸态相变到拓扑非平庸态。同时可以预言若在Pb烯中引入自旋极化，体系将具有量子反常Hall效应。
这方面成果发表在2019年的Phys. Rev. B期刊上（Li et al., Phys. Rev. B 99, 195402 (2019)），论文第一作者为李月同学。
在石墨烯与磁性衬底形成的异质结中实现高陈数QAH态（2018, 2015）
我们分别在石墨烯/CrI3和石墨烯/CrGeTe3的异质结中实现QAH态，提出石墨烯与磁性衬底构造的异质结构是设计拓扑非平庸态极具潜力的材料平台。近期，二维单层铁磁绝缘体 CrI3 和CrGeTe3已在实验中被成功合成。我们利用第一性原理计算方法研究这类在实验中相对容易制备的范德瓦耳斯 (vdW) 异质结构的电子态。对石墨烯/CrI3体系，当 vdW 间隙被压缩到约 3.3–2.4 Å 之间时，体系能够获得陈绝缘态，这对应于外加压力约 1.4–18.3 GPa。令人惊讶的是，即便两者之间仅为 vdW 相互作用，石墨烯中仍然出现了非常强的磁化效应（约 150 meV），由衬底 CrI₃所诱导。我们采用低能有效模型来理解这一机制。同时研究了 Gr/CrI₃异质结构体系的功函数、接触类型以及能带对齐情况。我们的研究表明，Gr/CrI₃异质结构是一个很有前景的体系，有望在实验中于较高温度（可达 45 K）下观测到量子反常霍尔效应。相同的效应也存在于石墨烯/CrGeTe3异质结中，研究还发现多层交替的石墨烯与磁性材料的堆垛可以得到高陈数的陈绝缘体。
成果分别发表在2018和2015年的Phys. Rev. B期刊上（Zhang et al., Phys. Rev. B 97, 085401 (2018), 被引用约200次；Zhang et al.，Phys. Rev. B 92, 165418 (2015), 被引用140次）。论文第一作者都是张加永同学。