拓?fù)浣^緣體是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)之一。這類材料不同于傳統(tǒng)的“金屬”和“絕緣體”，其體內(nèi)為有能隙的絕緣態(tài)，而表面則是無能隙的金屬態(tài)。這種金屬表面態(tài)是由內(nèi)在電子結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)決定的，受時(shí)間反演不變性的保護(hù)，因而受缺陷、雜質(zhì)等外界影響較小。目前發(fā)現(xiàn)的和實(shí)驗(yàn)研究的拓?fù)浣^緣體大部分是半導(dǎo)體材料，電子間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)很小，理論分析較為簡(jiǎn)單。而能否在強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料體系中發(fā)現(xiàn)新的拓?fù)浣^緣體材料，則是非常有意義的物理問題，因?yàn)閺?qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)將帶來許多全新的理論問題，如不同拓?fù)溆行驊B(tài)之間的拓?fù)湎嘧儭㈦娮樱娮酉嗷プ饔檬欠衲芨淖冸娮咏Y(jié)構(gòu)的拓?fù)渲笖?shù)等。
2013年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方忠研究組在強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體研究方面取得進(jìn)展，他們利用Gutzwiller變分法結(jié)合第一性原理計(jì)算研究了典型的混合價(jià)態(tài)化合物SmB6，指出SmB6是拓?fù)銴ondo絕緣體，并很快得到了許多實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。最近，在物理所的丁洪小組和方忠組參與的瑞士PSI實(shí)驗(yàn)研究中，利用自旋分辨的角分辨光電子能譜，觀測(cè)到了SmB6表面態(tài)上自旋與晶格動(dòng)量的鎖定關(guān)系，為證明理論預(yù)言提供了新的有力證據(jù)，該工作發(fā)表在Nature Communications上【Nat. Comms. 5, 4566(2014)】。
關(guān)聯(lián)效應(yīng)還會(huì)導(dǎo)致更多的拓?fù)浞瞧接沽孔討B(tài)。今年翁紅明副研究員、方忠、戴希研究員指導(dǎo)博士后趙建洲和博士生王志俊通過LDA+G及LDA+DMFT計(jì)算，首次提出關(guān)聯(lián)拓?fù)渚wKondo絕緣體，并預(yù)言YbB12是實(shí)現(xiàn)這類新型拓?fù)淞孔討B(tài)的材料。不同于拓?fù)浣^緣體，拓?fù)渚w絕緣體是由晶體對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)鋺B(tài)。典型的拓?fù)渚w絕緣體有SnTe等，由鏡面對(duì)稱操作把屬于其本征態(tài)的電子能帶分成兩類，這兩類占據(jù)態(tài)的陳數(shù)之差即定義了新的拓?fù)洳蛔兞浚R面陳數(shù)。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，在YbB12里，由于在時(shí)間反演不變動(dòng)量點(diǎn)X處有偶數(shù)個(gè)能帶反轉(zhuǎn)，所以其拓?fù)溏R面陳數(shù)是2。因此在保持鏡面對(duì)稱的表面上，有偶數(shù)個(gè)（4個(gè)）不在時(shí)間反演不變動(dòng)量點(diǎn)的Dirac錐形表面態(tài)。LDA+DMFT的計(jì)算表明，YbB12的能隙有非常明顯的溫度依賴關(guān)系，是典型的Kondo效應(yīng)的體現(xiàn)，因此屬于由關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致的拓?fù)渚wKondo絕緣體。他們還把YbB12與YbB6進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)YbB6與SmB6具有類似的電子結(jié)構(gòu)，也是關(guān)聯(lián)拓?fù)銴ondo絕緣體，但是其關(guān)聯(lián)效應(yīng)比較弱，更傾向于能帶拓?fù)浣^緣體，目前已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)了YbB6的拓?fù)涮匦�，譬如Sci. Rep. 4, 5999 (2014)，arXiv:1405.0165等。
相關(guān)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部有關(guān)基金的支持。這一研究成果已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》【Phys. Rev. Lett. 112, 016403 (2014)】上，并被選為封面文章。
YbB6和YbB12的晶體結(jié)構(gòu)。被選為Phys. Rev. Lett.112卷第一期的封面。
YbB6（左）和YbB12（右）電子結(jié)構(gòu)隨溫度的演變。前者能隙隨溫度變化不大，接近能帶絕緣體，后者能隙隨溫度升高關(guān)閉，是典型的Kondo絕緣體。
YbB6的（001）和（111）表面態(tài)具有奇數(shù)個(gè)Dirac錐形表面態(tài)。YbB12的（001）表面態(tài)及其費(fèi)米面。它有偶數(shù)個(gè)Dirac錐形表面態(tài)。
