量 子 功 能 材 料 设 计 与 应 用 实 验 室

理解新奇的拓扑态及相关量子现象和探索新型的拓扑量子材料是当前凝聚态物理最活跃的研究方向之一。 我们实验室长期致力于固体材料中拓扑物理相关的理论和实验研究，活跃在固体材料中拓扑量子态和新奇量子现象研究的最前沿， 尤其是在与贝利相位相关的第一性原理计算方面取得了多项具有国际影响力的开创性成果。解决了反常输运领域长期悬而未决的科学难题， 实质性地推动了反常霍尔效应研究的发展。在拓扑材料设计与物性研究方面做出了一系列的原创性工作，引领了后续相关研究。 在Nature，Nat. Phys. 和PRL 期刊上发表论文20余篇，累计SCI他引超过15000次。当前的具体研究内容主要涉及：
1） 发展贝利相位相关物理的第一性原理计算方法和开发相应的计算程序；
2） 发现新的拓扑量子态和设计新的拓扑材料；
3） 生长制备高质量的新型拓扑材料，研究相关物性，探索拓扑量子态的调控。
从事该方向研究的教师主要有：韩俊峰、李翔、刘铖铖、王秩伟、余智明、李彩珍、周家东。

代表性论文

PRL 107, 076802 (2011)

PRL 106, 016402 (2011)

PRB 84, 195430 (2011)

PRL 92, 037204 (2004)

PRL 124, 016402 (2020)

PRL 116, 066801 (2016)

Nat. Phys. 13, 123 (2017)

PRL 122, 076402 (2019)

Sci. Adv. 6, eaay6502 (2020)

PRL 125, 076801 (2020)

PRL 124, 037701 (2020)

PRL 121, 176602 (2018)

Nat. Commun. 6, 10137 (2015)

PRL 124, 156601 (2020)

Nat. Commun. 11, 1150 (2020)

Adv Mater 32, 1906536 (2020)

Adv Mater 29, 1063471 (2017)

Nature 556, 355-359 (2018)

二维材料由于在一个维度上的量子受限效应而展现出完全不同于体材料的新奇量子现象。 随着原子外延生长技术和表征手段的进步，二维材料成为近年来多学科领域的研究热点。 我们实验室在二维材料新奇量子物性的理论预言及相应的材料制备、实验表征和输运测量方面取得了多项具有国际影响力的重要成果。 实现了掺杂、缺陷、吸附和堆垛等方式对二维材料物性的多样调控；提出单层MoS2低能电子结构的三带紧束缚模型并得到了广泛应用； 自主开发了计算内禀自旋霍尔电导率的第一性原理程序并应用于MoS2等二维材料，计算结果获实验证实； 揭示了半导体中自发发生激子玻色-爱因斯坦凝聚的条件并预言磁性半导体中激子失稳导致的新的物质的态。 发表包括PRL和PNAS等顶级期刊20余篇，累计SCI 他引超过5000次。
当前的具体研究内容主要涉及：
1） 借助于扫描隧道显微技术，揭示二维结构的外延生长机制及其本征物性；
2） 构建电子学、磁学和光学等器件，研究其输运行为，尤其是电荷、自旋和谷等自由度之间相互影响和关联；
3） 二维材料的多体效应和元激发，如激子效应和等离激元
从事该方向研究的教师主要有：段俊熙、冯万祥、李元昌、刘贵斌、肖文德。

代表性论文

PRL 124, 166401 (2020)

PRL 122, 236402 (2019)

PRL 119, 266804(2017)

PRL 139, 5849 (2017)

Nat. Commun. 8, 1007(2017)

Nat. Chem. 8, 326 (2016)

PNAS 113, 14272 (2016)

PRL 111, 066804 (2013)

PRL 109, 206802 (2012)

PRB 86, 165108 (2012)

探索新型材料在能源和光电领域的应用是21世纪重要的研究热点之一。 该方向致力于研究量子材料在光伏、光催化、红外探测、高能密度材料等新能源领域的设计和应用， 主要集中在对其光电转换、电子输运、电声子耦合、催化反应等物理过程的研究。团队通过理论与实验相结合， 深入揭示其中的物理机制，并通过底层设计，提出改进材料性质的方案，达到对实际应用提出指导和优化的目的。 我们利用多种光学方法，针对低维量子材料实现了能谷的有效外场调控，推动了能谷电子学的光学实验研究； 揭示了外尔半金属材料中新奇的边缘光电流，为基于新原理的光电探测提供基础。发表包括Rev.Mod. Phys.和PRL等顶级期刊20余篇，SCI他引超过3000余次。
当前的具体研究内容主要涉及：
1）围绕新能源领域中光伏系统的电子结构、缺陷与掺杂、激发态和动力学过程等核心物理问题进行理论和计算模拟；
2）利用多种计算方法设计、分析高能密度材料的结构和性能，探索其在光催化、能源等领域的应用；
3）光与低维量子材料的相互作用规律，探索其中新奇自由度调控和红外探测等的有效方案。
从事该方向研究的教师主要有：郭伟、马杰、王刚、王钦生。

代表性论文

Nat. Chem. 8, 331 (2016)

Nat. Commun. 6, 8619 (2015)

PRL 110, 235901 (2013)

PRL 114, 097043（2015)

PRL 117, 187401（2016)

PRL 119，047401（2017)

RMP 90, 021001 (2018)

Nat. Commun. 8, 14927 (2017)

Nat. Commun. 10, 5736 (2019)