物理学院黄华卿研究员课题组与合作者揭示结构非晶化诱导的拓扑态

2022-02-09 08:44:05 来源：今日健康网作者：分享：

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　　北京大学物理学院黄华卿研究员课题组与合作者利用准晶格模型与紧束缚模拟相结合的方法，发现在适当条件下结构非晶化可以在拓扑平庸的晶体中诱导出非平庸的电子拓扑态，并以非晶化锡烷为例实现了拓扑相变，将传统材料工程中非晶化方法拓展到实现拓扑态的新领域。2022年2月2日，相关工作在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

晶体中的电子性质通常与结构对称性有着重要关联，因而非晶化导致的晶体结构对称性降低或破坏会损害电子性质。对于拓扑材料而言，尽管晶体中的拓扑态对无序扰动具有很强的鲁棒性，但随着结构无序程度的增强，其电子能带结构的拓扑性依然会被结构无序削弱或破坏。因此，研究结构无序转变与拓扑相变之间的关系对探索物态调控新途径具有重要意义。值得注意的是，尽管之前的研究表明安德森无序化可以导致拓扑相变，但在实际材料中实现安德森无序仍然是一个挑战。相比之下，非晶无定形材料在凝聚态物质中广泛存在，几乎所有材料都可以通过各种非晶化技术（例如急冷凝固、机械合金化、等离子处理和蒸汽冷凝技术等）实现无序结构，从而为研究非晶体系中的拓扑态和拓扑相变提供了必要的材料基础。

近日，北京大学物理学院理论物理研究所黄华卿研究员课题组与犹他大学刘锋教授合作，发现在适当条件下结构非晶化可以在拓扑平庸的晶体中诱导出非平庸的电子拓扑态。利用准晶格模型与紧束缚模拟相结合的方法，联合研究团队发现，从拓扑平庸的晶体出发，随着非晶化强度的增强体系发生拓扑相变，其特征是能隙关闭后被重新打开且拓扑不变量发生跃变（如图）；非晶化导致的拓扑态同样具有稳定的边缘态和量子化的电导。通过对非晶体系的拓扑相图进行有效介质理论分析，又发现结构无序引起能隙重整化进而导致了拓扑相变。作为一个具体的材料实例，联合研究团队通过第一性原理计算展示了非晶化锡烷（氢化锡单层薄膜材料）中所实现的拓扑相变。该工作不但表明结构无序转变可能伴随电子态有序转变，也将传统材料工程中非晶化方法拓展到实现拓扑态的新领域。

结构非晶化诱导的拓扑相变：（a～c）通过在平衡位置附近的扰动导致的结构无序；（d）随着结构无序程度的增加，能隙闭合后再被打开并且拓扑不变量出现跃变

2022年2月2日，相关研究成果以“结构非晶化诱导的拓扑序”为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）；物理学院2018级本科生王次天为第一作者，黄华卿和刘锋为共同通讯作者，合作者还包括北京大学化学与分子工程学院程婷博士和刘志荣教授。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项资金项目以及北京大学高能物理研究中心、量子物质科学协同创新中心，北京大学高性能计算平台等支持。