拓扑物态和材料计算
中科院物理研究所 HM-T03组
北京凝聚态物理国家研究中心
中科院物理研究所 HM-T03组
北京凝聚态物理国家研究中心
研究方向
拓扑量子态具有独特的对环境细节不敏感、可实现能量和信息的无损传播的特性, 使得以拓扑量子态为基础的新型电子器件在信息存储、传输、处理等方面表现出了潜在的优异性能, 例如:准零能耗、巨大响应、超快调控、高密度存储、拓扑量子计算等, 这为实现信息与微电子技术革命带来了新机遇。我国科学家在该领域的前期研究中做出了重要贡献，取得了以“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“拓扑半金属”等为代表的重大原创性成果。本课题组围绕拓扑材料计算研究，发展拓扑能带理论，发展第一性原理、强关联计算方法，探索发现关联拓扑新物性，主要的研究方向包括拓扑能带表示理论、拓扑材料和功能材料计算预言设计、机器学习在计算物理中的应用、关联拓扑物态。
拓扑能带表示理论
从事凝聚态物理中拓扑能带理论、拓扑材料计算预言及其新奇物性研究，取得了多项原创性重要成果
1) 理论方面，在固体材料中提出了没有高能粒子模型对应的三度简并“新型准粒子”，为凝聚态准粒子添加了新成员；同时发展了完备的 230种晶体空间群表示理论，即“拓扑量子化学”理论，提出来了普适的实空间(原子轨道)与倒空间(能带表示)的对应关系，极大地推动了拓扑晶体材料研究。此外，我们还独立开发了基于“拓扑量子化学”理论判定材料电子结构中拓扑性质的程序包IRVSP, TopMat，预言了自然界中约 24%的材料具有拓扑电子结构。
2) 材料方面，成功预言了多种新型拓扑量子材料，包括狄拉克材料Na3Bi 和 Cd3As2，本征拓扑超导材料 Fe(Se,Te), 沙漏费米子材料KHgSb，三度简并费米子 CoSi，轴子绝缘体(TaSe4)2I，先后被国内外各实验小组所证实，被广泛研究。接下来我们重点关注磁性、超导和强关联下等关联拓扑新物态及其奇特量子输运行为。
材料计算的数值方法
从事凝聚态物理中拓扑能带理论、拓扑材料计算预言及其新奇物性研究，取得了多项原创性重要成果
基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算和基于对称操作本征值的能带表示理论在前期的非磁弱关联材料预言中发挥了重要的贡献。后续研究各种关联材料体系中的拓扑性质的首要难点就是强关联材料的数值模拟，比如DFT+DMFT、DFT+Gutzwiller等。同时我们也发展各种磁电输运计算代码，解释材料中观察到的各种想象。目前我们重点发展如下计算代码：
1) 磁性空间群下材料拓扑性质判定
2) 强关联数值计算发展、DFT+Gutzwiller
3) 材料磁电输运计算模拟。
4) 结合机器学习的材料计算预言。