【摘要】：自旋軌道耦合相互作用是電子所表現(xiàn)出來的一種相對論效應(yīng)。在2005年,Kane等人發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合相互作用可以導(dǎo)致拓?fù)浣^緣體相變,自旋軌道耦合相互作用在凝聚態(tài)中顯得越發(fā)的重要。自旋軌道耦合相互作用大小與原子的核電荷數(shù)的四次方成正比,所以原子序數(shù)越大自旋軌道耦合相互作用越大。因此對于第六周期以及部分第五周期的元素組成的化合物,我們需要把自旋軌道耦合相互作用考慮進(jìn)來。5d過渡金屬氧化物與3d、4d體系相比,它的軌道在實(shí)空間分布比較擴(kuò)展,因此電子關(guān)聯(lián)U相對3d、4d過渡族元素來說比較小。所以可以預(yù)期從3d到5d,體系從絕緣體變?yōu)榻饘�。但是很�?d體系卻表現(xiàn)出絕緣體行為,這是由于5d過渡族元素往往具有強(qiáng)自旋軌道耦合相互作用。在自旋軌道耦合相互作用和電子關(guān)聯(lián)以及晶格的相互作用相互競爭下,5d過渡金屬氧化物蘊(yùn)含著豐富的物理。比如Mott絕緣體、復(fù)雜磁性、拓?fù)浣^緣體、Weyl半金屬等。對于重元素Bi、Pb、Te、Sb、Sn等來說它們的自旋軌道耦合相互作用也很強(qiáng),所以很多拓?fù)浣^緣體都包含這些重元素,例如HgTe/CdTe量子阱、Bi2Se3等。除了拓?fù)浣^緣體,人們也發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浔Ｗo(hù)的半金屬�，F(xiàn)在拓?fù)浒虢饘倏偣卜譃槿悾篋irac半金屬、Weyl半金屬、node-line半金屬。Dirac半金屬和Weyl半金屬中的Dirac點(diǎn)和Weyl點(diǎn)在動(dòng)量空間離散分布并且數(shù)目有限。它們的表面態(tài)有特征的費(fèi)米弧。Dirac半金屬在打破時(shí)間反演或者空間反演對稱性會(huì)轉(zhuǎn)化為Weyl半金屬。而node-line半金屬的能帶在費(fèi)米面附近相交并且交點(diǎn)有無數(shù)個(gè),這些交點(diǎn)在倒空間連成一條線。對于理想的node-line半金屬來說,所有的交點(diǎn)都落在在同一個(gè)能量面上,那么它的表面態(tài)是一個(gè)平帶。這給研究超導(dǎo)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)提供了一個(gè)平臺(tái)。尋找強(qiáng)自旋軌道耦合相互作用體系的材料并且研究這些材料所表現(xiàn)出的豐富的物理是十分有意義的課題�；诿芏确汉碚�,緊束縛模型,k·p微擾理論,我們研究幾類強(qiáng)自旋軌道耦合的材料：我們首先系統(tǒng)地研究了5d過渡金屬化合物NaOsO3,并且發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)新型的三維Slater絕緣體。我們系統(tǒng)地計(jì)算了NaOsO3電子結(jié)構(gòu),并且搜索了它的磁結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)它的磁基態(tài)是G型反鐵磁。自旋軌道耦合相互作用不能使體系打開能隙,同樣電子關(guān)聯(lián)也不可以使體系打開能隙。只有當(dāng)體系處在G型反鐵磁時(shí),才會(huì)打開一個(gè)能隙,這就證明了NaOsO3是一個(gè)三維的Slater絕緣體。我們理論預(yù)言的磁結(jié)構(gòu)隨后被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。其次,我們預(yù)言了一個(gè)新型的三維Dirac半金屬BaYBi(Y=Cu、Ag、Au)。這類Dirac半金屬材料比較穩(wěn)定,組成成分沒有劇毒,給實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用帶來很大的方便。BaCuBi和BaAgBi的電子結(jié)構(gòu)相似：Bi的6p帶在自旋軌道耦合相互作用以及晶體場的聯(lián)合作用下,在r點(diǎn)穿過Ag-5s(Cu-4s)帶形成反帶結(jié)構(gòu),并且沿著F-A形成交點(diǎn)(Dirac點(diǎn))。而BaAuBi的反帶結(jié)構(gòu)發(fā)生在Bi的6p帶之間。我們也探討了摻雜可以使得這個(gè)三維的Dirac半金屬變?yōu)閃eyl半金屬。然后我們討論了Weyl半金屬NbP的電子結(jié)構(gòu)和表面態(tài)。NbP是最近發(fā)現(xiàn)的非中心反演的Weyl半金屬材料TaAs家族的一員。NbP在不加自旋軌道耦合時(shí),能帶在鏡面對稱保護(hù)下形成node-line。當(dāng)考慮自旋軌道耦合相互作用以后,每條node-line會(huì)演化為一對手性相反的Weyl點(diǎn)。它們的表面態(tài)具有特別的蝌蚪形狀。我們的理論計(jì)算結(jié)果和ARPES實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果非常吻合。通過選擇一條閉合的曲線并查看這條閉合曲線穿過費(fèi)米面的次數(shù),我們最終確定NbP是一個(gè)Weyl半金屬。最后我們發(fā)現(xiàn)CsCl結(jié)構(gòu)的二元化合物CaTe,在忽略自旋軌道耦合相互作用時(shí),是一個(gè)node-line半金屬。它有三條互相垂直的node-line,并且這三條node-line都在M點(diǎn)附近。我們研究了這個(gè)拓?fù)鋘ode-line半金屬的表面態(tài),發(fā)現(xiàn)它的表面態(tài)是一個(gè)鼓面一樣的二維平帶。這個(gè)給研究超導(dǎo)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)提供了一個(gè)平臺(tái)。而當(dāng)加上自旋軌道耦合相互作用以后,這個(gè)拓?fù)鋘ode-line半金屬就會(huì)變?yōu)镈irac半金屬。它的三條node-line會(huì)打開能隙,僅僅在M-R線上保留交點(diǎn)。這個(gè)交點(diǎn)是由M-R線上的C4旋轉(zhuǎn)對稱性保護(hù)而穩(wěn)定。如果打破C4旋轉(zhuǎn)對稱性,比如加上應(yīng)力,那么這個(gè)三維的Dirac半金屬會(huì)演變?yōu)閺?qiáng)拓?fù)浣^緣體。
[Abstract]:The spin-orbit coupling interaction is a relativistic effect that is exhibited by the electrons. In 2005, Kane et al. found that the spin-orbit coupling interaction can lead to the phase transition of the topological insulator, and the spin-orbit coupling interaction is more and more important in the condensed state. The size of the spin-orbit coupling interaction is proportional to the number of atomic nuclei, so the larger the atomic number, the greater the interaction of the spin-orbit coupling. As a result, for the compounds of the sixth cycle and the elements of the fifth cycle, we need to consider the spin-orbit coupling interaction. The 5d transition metal oxide is extended in real-space distribution compared to the 3d and 4d systems, so the electron association U is relatively 3d, The 4d transition element is relatively small. It is contemplated that the system will be changed from the insulator to the metal from 3d to 5d. However, many 5d system exhibit insulator behavior since that 5-d transition group element tend to have strong spin-orbit coupling interaction. The 5-d transition metal oxide contains rich physics under the condition of the interaction of the spin-orbit coupling and the electron correlation and the interaction of the lattice. Such as mott insulators, complex magnetic, topological insulators, weyl semi-metals, and the like. For heavy elements Bi, Pb, Te, Sb, Sn, and the like, their spin-orbit coupling interaction is also strong, so many topological insulators contain these heavy elements, such as HgTe/ CdTe quantum wells, Bi2Se3, and the like. In addition to the topological insulator, a topology-protected semi-metal is also found. The topology semi-metal is now divided into three groups: Dirac semi-metal, Weyl half-metal, and node-line semi-metal. The Dirac point and the Weyl point in the Dirac semi-metal and the Weyl semi-metal are distributed discretely in the momentum space and the number is limited. Their surface states are characterized by a fermi arc. The Dirac semimetal is transformed into Weyl semimetal at break time inversion or space inversion symmetry. While the energy bands of the node-line semi-metal intersect in the vicinity of the fermi surface and the intersection point has a plurality of intersection points which are connected in a line in the reverse space. For the ideal node-line half-metal, all the intersections are on the same energy plane, then its surface state is a flat band. This provides a platform for the study of superconducting and fractional quantum Hall effects. It is of great significance to find the material of the strong spin-orbit-coupled interaction system and to study the rich physical properties of these materials. Based on the density functional theory, the tight-binding model and the k-p perturbation theory, we study the material of several kinds of strong spin-orbit coupling: we first study the 5-d transition metal compound, NaOO3, and find that it is a new three-dimensional Slater insulator. We have systematically calculated the electronic structure of NaOO3 and searched its magnetic structure and found that its magnetic ground state is G-type anti-ferromagnetic. The spin-orbit coupling interaction does not allow the system to open the energy gap, and the same electron correlation does not allow the system to open the energy gap. When the system is in the G-type antiferromagnetic state, an energy gap is opened, which proves that NaOO3 is a three-dimensional Slater insulator. The magnetic structure of our theory is then confirmed by the experiment. Secondly, we have predicted a new three-dimensional Dirac semimetal BaYBi (Y = Cu, Ag, Au). This kind of Dirac semi-metallic material is stable, the composition is not highly toxic, and it brings great convenience for experimental research and industrial application. The electron structure of BaCuBi and BaAgBi is similar to that of BaAgBi: the 6p band of Bi forms a reverse band structure through the Ag-5s (Cu-4s) band at the r point under the combination of the spin-orbit coupling interaction and the crystal field, and the intersection point (Dirac point) is formed along the F-A. While the anti-tape structure of the baaubi occurs between the 6p bands of bi. We have also discussed doping so that this three-dimensional Dirac semimetal becomes a Weyl semi-metal. Then we discussed the electronic structure and surface state of Weyl semi-metal NbP. NbP is a member of the recently discovered non-center-inverted Weyl semi-metallic TaAs family. When the NbP is coupled without a spin-free track, the energy band forms a node-line under mirror symmetry protection. When the spin-orbit coupling interaction is taken into account, each node-line evolves into an opposing Weyl point. Their surface state has a particular tadpole shape. Our theoretical calculation results are in good agreement with the results of the ARPES experiment. By selecting a closed curve and looking at the number of times this closed curve crosses the Fermi surface, we finally determine that NbP is a Weyl half-metal. In the end, we find that the binary compound CaTe of the CsCl structure is a node-line semi-metal when the spin-orbit coupling interaction is neglected. It has three mutually perpendicular node-lines, and the three nodes-line are all near the M-point. We studied the surface state of the node-line semi-metal, and found that its surface state is the same two-dimensional flat belt as the drum surface. This provides a platform for the study of superconducting and fractional quantum Hall effects. When the spin-orbit coupling interaction is applied, this topology node-line half-metal becomes a Dirac semi-metal. The three node-line of it will open the energy gap, leaving the intersection only on the M-R line. This intersection is stabilized by the symmetry of the C4 rotation symmetry on the M-R line. If the C4 rotational symmetry is broken, such as the addition of stress, then this three-dimensional Dirac semi-metal will evolve into a strong topological insulator.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：2442299