武汉工程大学熊伦教授和华中科技大学傅华华教授Mater. Today Phys.: 寻找拓扑碳同素异形体及其可能的非平庸准粒子态
2025年3月25日， Materials Today Physics在线发表了武汉工程大学熊伦教授和华中科技大学傅华华教授课题组的研究论文，题目为《Searching for topological carbon allotropes and the possible nontrivial quasi-particle states in them》，论文的第一作者为课题组刘清波副教授。
在材料科学的领域，科学家们一直在寻找能够突破传统界限的新材料。近日，武汉工程大学熊伦教授团队和华中科技大学傅华华教授团队合作通过对703种碳同素异形体的深入研究，揭示了315种理想的拓扑声子材料和32种拓扑电子材料的存在。通过对这些碳同素异形体的系统研究，科学家们发现了一系列具有独特拓扑性质的声子和电子态。这些拓扑性质不仅对理论物理学有着深远的意义，也为新型功能材料的开发提供了可能。
研究人员发现了多种拓扑声子，包括具有不同拓扑电荷的Weyl声子、Dirac/Weyl节点线声子以及节点面声子。这些声子表现出独特的物理特性，如定向声子传播和各向异性热传输。同时，还发现了拓扑绝缘体、Dirac点、三重节点点、Dirac/Weyl节点线等拓扑电子态，这些电子态在电子器件和量子计算领域具有广泛应用前景。
这一发现的重要性不仅仅在于新型材料的潜在应用，还在于对材料科学基本原理的深入理解。拓扑性质在材料中的应用为设计新型功能材料提供了理论基础，也为实验验证和实际应用提供了方向。
图1 搜索同素异形体中的非平庸碳的拓扑声子和电子。图2 （a）178空间群中uni材料的原包。（b） uni的体布里渊区和（100）和（110）面布里渊区。（c）uni的第17和第18声子能带形成的单极WP（Chern数为-1的绿点）和一个节点面在第一布里渊区中的分布。（d）uni沿高对称路径的声子谱和相应的声子态密度（DOS）。（e）第17和第18声子能带形成的单极WP。（f） 单极WP的 Wannier的演变。图3 沿着（100）和（110）面的声子表面态和在36.155 THz的等能面。图4 230（a）空间群中pbg的原包。（b）pbg的体布里渊区和（001）和（110）面布里渊区。（c）pbg的DFT能带和紧束缚模型能带以及电子态密度。图5 pbg沿着（001）和（110）面的电子表面态和在费米面附近的等能面。
Qing-Bo Liu, Lun Xiong, Ziyang Yu, and Hua-Hua Fu. Searching for topological carbon allotropes and the possible nontrivial quasi-particle states in them, Materials Today Physics 101700 (2025), https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101700
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