5d过渡金属氧化物—Weyl半金属奇异量子物性研究

绝缘体系统的拓扑量子行为是当前物理学领域的焦点。那么没有能隙的金属体系是否也有拓扑非平庸行为呢?答案是肯定的,5d过渡金属元素既有着大的自旋轨道耦合,又有着不可忽略的电子关联作用,由其构成的材料体系因而具有奇异的量子物性。本文先简介人们最近关注的几类5d材料,着重讨论烧绿石结构铱(Ir)氧化物(A2Ir2O7,其中A=Y或稀土元素)。我们通过第一性原理计算结合有效模型成功地预言了这一大类磁阻挫材料的基态磁构型,并预言A2Ir2O7是Weyl半金属。我们发现和拓扑绝缘体一样,作为一种新型拓扑量子态,Weyl半金属态也具有其拓扑性质:Weyl点是受拓扑保护稳定的;Weyl半金属有着受拓扑保护的表面态,即非闭合的费米面(Fermi arc);它对外场的响应也由其拓扑性质决定(只与Weyl点的位置有关,和能带的细节无关)。我们进一步预言尖晶石结构锇(Os)氧化物(AOs2O4,其中A=Ca或Sr)是有着特别磁电响应的Axion绝缘体。最后我们讨论了电子关联、自旋轨道耦合、磁序结构对钙态矿结构锇氧化物的影响,进一步确定NaOsO3是由磁序导致金属–绝缘体相变的Slater绝缘体。