First-Principles Design of Halide-Reduced Electrides: Magnetism and Topological Phases
我们提出了一种设计方案，潜在的寄生虫来自传统材料。从基于稀土的三元卤化物开始，我们排除卤素并进行全局结构优化以获得化学稳定或亚稳相，但具有被限制在间隙腔内部的过量电子。然后，自旋极化间隙态诱导磁性镧系元素的化学取代。为了证明我们的方法的能力，我们用11个三元卤化物进行测试，并成功地预测了30个稳定和亚稳相的三种不同的化学计量类别，并通过与Gd的化学取代，连续28个磁性的三种。在这58个设计中，有56个是首次发现的。对两个双斜晶系$A$ C（$A=$ La，Gd）和正交晶系$A_2$ Ge（$A=$ Y，Gd）进行了深入的研究，以验证预测的晶体。有趣的是，这两个系统原来是拓扑节点线的双折射（TNLE）的情况下，自旋轨道耦合和表现出自旋极化的间隙态的情况下，$A=$ Gd。我们的工作建立了一个新的计算方法的功能性的磁链的设计和突出的磁性和拓扑相位嵌入在磁链。
2021-02-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Computational Design of Flexible Electrides with Non-trivial Band Topology
电子氮化物由于其过剩电子分布在晶体空穴中起到阴离子的作用，表现出各种独特的电、磁性质。在这项工作中，我们采用第一性原理的晶体结构预测，以确定一个新的原型的A $_3$ B晶体，其中层间间距和层内空位提供通道，以容纳多余的电子在晶体中。这种A $_3$ B型结构经计算对两种碱金属氧化物（Rb $_3$ O和K $_3$ O）是化学稳定的。值得注意的是，多种类型的腔的独特功能，使阴离子电子的空间排列高度灵活，通过弹性应变工程和化学取代，与以前报道的特征在于由一个单一的拓扑结构的间隙电子的brides。更重要的是，我们的第一性原理计算揭示了Rb $_3$ O是一种拓扑Dirac节线半金属，它是由Rb- $s$ $\rightarrow$ O- $p$在与间隙电荷相关的布里渊区中的一般电子k动量处的带反转引起的.结合拓扑电子性质的柔性晶体的发现为晶体的设计开辟了一条途径，并在电子器件应用中显示出巨大的前景。
2019-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Electrides as a New Platform of Topological Materials
最近发现的拓扑相实现的电子状态在固体中显示了拓扑结构的重要作用，它普遍存在于各种材料中的自然。许多著名的材料都是拓扑材料，拓扑学的新观点为材料科学开辟了新的视野。在本文中，我们发现双金属可以用来实现各种拓扑相，包括拓扑绝缘相和拓扑半金属相。在电子充当阴离子的晶格中，阴离子电子占据的能带位于费米能级附近，因为阴离子电子被晶格弱束缚。这种性质有利于实现拓扑相位所需的能带反转，因此这种带易于拓扑相位。从这样的角度出发，我们通过从头算发现了许多拓扑电子化合物，Y $_2$ C（节线半金属（NLS））、Sc $_2$ C（具有$π$ Zak相的绝缘体）、Sr $_2$ Bi（NLS）、HfBr（量子自旋霍尔系统）和LaBr（量子异常霍尔绝缘体）。拓扑材料和非拓扑材料之间的密切关系在材料科学的两个领域都是有用的。
2018-07-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.supr-con
Anomalous Dirac Plasmons in 1D Topological Electrides
等离子体开启了在亚波长尺度上有效耦合光和物质的可能性。通常，等离子体激元频率取决于载流子密度。然而，这种依赖性从根本上导致低频下的弱等离子体激元强度，特别是对于在石墨烯中广泛研究的狄拉克等离子体激元（DP）。在这里，我们展示了一种新类型的DP，由狄拉克的表面状态，它表现出一个令人不安的密度无关的频率激发。值得注意的是，我们预测实现的异常DP（ADP）在一维拓扑结构，如Ba 3 CrN 3和Sr 3 CrN 3，第一性原理计算。两种体系中的ADP都具有与密度无关的频率和高强度，并且通过改变激发方向可以将其频率从太赫兹调谐到中红外。此外，阴离子电子的固有弱电子-声子耦合在ADPs中提供了超低声子辅助阻尼的额外优势，因此ADPs的寿命长。我们的工作为将拓扑物理学与掺杂材料相结合开发新型等离子体和光电子器件铺平了道路。
2019-04-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic Topological Dice Flat Band in Yttrium Monochloride Electrides
本研究预测氯化钇电子化合物中的骰子平带具有内禀拓扑性，陈数为±4，由原子自旋轨道耦合产生拓扑能隙，成为首个天然骰子平带陈带材料。
2025-09-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Multiple-Fold Fermions and Topological Fermi Arcs Induced Catalytic Enhancement in Nanoporous Electride C12A7
拓扑结构材料由于其表面金属态的保护和高载流子迁移率而被认为是理想的催化剂，但其催化性能与拓扑结构之间的关系及其基本机理还存在争议。通过对称性分析和第一性原理计算，我们发现C12 A7的非对称性材料中存在着由非对称电子引起的多重费米子，并且六重和四重简并点位于费米能级附近的高对称点，这是C12 A7基催化剂催化活性增强的根本原因.多重费米子在（001）面上的费米弧比传统的Weyl/Dirac费米子长得多，因此表面具有高的化学活性和低的析氢反应吉布斯自由能。通过人工空穴掺杂、外加应力和类似的无费米弧的电子轰击，明确地验证了催化性能与表面拓扑状态之间的内在关系，其中当费米弧向更高能级移动时，吉布斯自由能显著增加.这一工作为进一步理解双金属氧化物的催化性质和拓扑量子催化剂提供了指导原则。
2021-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Simultaneous Superconducting and Topological Properties in Mg-Li Electrides at High Pressures
本研究通过晶体结构预测和第一性原理计算，发现高压下七种Mg-Li电子化合物，其中Pm-3m MgLi兼具超导（22.8 K）、拓扑非平凡和电子化合物性质，证明单材料可实现多量子相共存。
2025-01-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.chem-ph
Six-fold Excitations in Electrides
在凝聚态物理中，由于缺乏完全的旋转对称性，固体表现出狄拉克和外尔费米子之外的新激发，其中六重激发由于玻色子系统中最大简并的存在而引起了人们的极大兴趣。在这里，我们提出了一个单一的线性色散六重激发可以发现在锂$_{12}$镁$_3$硅$_4$及其衍生物。六重激发由基本能带表示的浮带- $A@12a$ -形成，浮带源自以空位（${\it i.e.}$，$12a$ Wyckoff位置）为中心的过量电子。存在一个独特的拓扑体表面边缘对应的无自旋的六重激发，导致平凡的表面费米弧，但非平凡的铰链弧。所有能量带隙的$k_z$ -切片属于二维（2D）高阶拓扑绝缘相，其由组合对称性${\mathcal T}{\widetilde S_{4z}}$保护并且由量化分数角电荷$Q_{corner}=\frac{3|e|}{4}$表征。因此，铰链弧中得到的铰链频谱的$\widetilde S_{4z}$对称杆结构。具有单一六重激发的状态，由非对称晶体对称性和时间反转对称性稳定，位于相边界处，并且可以通过明确的对称性破缺而被驱动到各种拓扑不同的相中，使得这些晶体结构成为系统研究不同拓扑相的有希望的平台。
2020-06-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Hidden Weyl Fermions in Paramagnetic Electride Y$_2$C
最近对材料中外尔费米子的实验观测开辟了凝聚态物理的新领域。基于第一性原理计算，我们在二维层状双折射材料Y $_2$ C中发现了外尔费米子.我们发现，在[Y $_2$ C] $^{2+}$阳离子层之间的间隙空间中，Y 4 $d$轨道和阴离子类$s$轨道发生杂化，在费米能级$E_{\rm F}$附近产生van Have奇异性，通过Stoner型不稳定性诱导出铁磁（FM）有序.该具有破缺的时间反演对称性的FM相位在$E_{\rm F}$附近托管旋转对称性保护的外尔节点线，其通过包括自旋轨道耦合（SOC）而被转换成多对外尔节点。然而，我们发现，由于其小的SOC效应，Y $_2$ C有一个拓扑非平凡的鼓面状表面状态附近的$E_{\rm F}$以及一个非常小的磁各向异性能量与几个$μ$ eV每单元电池，符合所观察到的表面状态和顺磁性在低温下低于${\sim}$ 2 K。我们的研究结果表明，外尔费米子的布里渊区坐标隐藏在顺磁性材料将波动的动量空间与随机取向的磁化方向。
2019-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Coexistence of near-EF van Hove singularity and in-gap topological Dirac surface states in superconducting electrides
Institute of High-Pressure Physics and School of Physical Science and Technology, Ningbo University（宁波大学高压物理研究所和物理科学与技术学院）；Department of Physics, School of Science, Hebei University of Science and Technology（河北科技大学理学院物理系）；School of Physics and Beijing Key Laboratory of Optoelectronic Functional Materials & MicroNano Devices, Renmin University of China（中国人民大学物理学院与北京光电功能材料与微纳器件重点实验室）；Key Laboratory of Quantum State Construction and Manipulation (Ministry of Education), Renmin University of China（中国人民大学量子态构建与调控教育部重点实验室）
La3In在常压下表现出超导性，其低能电子结构中存在近EF的范霍夫奇异点和能隙内拓扑狄拉克表面态，为研究拓扑超导相提供了新平台。
2025-11-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Topological Interstitial-Electron Conductor
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Anhui University（安徽大学）；Hebei University of Technology（河北工业大学）
本文提出拓扑间隙电子导体（TIEC）概念，在绝缘型电子化合物中，间隙电子沿晶格空穴通道在弱电场下产生持续电流，并通过第一性原理计算在A5X3（A=Ca,Sr,Ba,Yb; X=As,Sb）族材料中验证，发现其超低势垒（13.43-67.96 meV）及拓扑表面态，为低功耗电子器件提供新平台。
2026-05-29 cond-mat.mtrl-sci
Universal Metallic Surface States in Electride
本文发现所有电子化合物都必然具有鲁棒且普适的金属表面态，其机制源于电荷密度分布在实空间拓扑中从间隙中心到原子中心的转变，并在带隙超过6.13 eV的拓扑平庸电子化合物中得到了验证。
2024-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Crystal Structure and Chemistry of Topological Insulators
拓扑表面态是一种新的物质电子态，近年来在一些小带隙半导体晶体的解理表面上被观测到。使这些状态的潜在化学因素是晶体对称性，强自旋轨道耦合的存在，以及通常有助于价带和导带的体电子态的能量的反转。这篇评论的目的是简要介绍拓扑绝缘体的物理化学观众和描述的化学，缺陷化学，和晶体结构的化合物在这个新兴的领域。
2013-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Topological quantum materials from the viewpoint of chemistry
拓扑学是一个数学概念，近年来已成为一个热门的、真正跨学科的话题，它涵盖了凝聚态物理、固态化学和材料科学。由于实空间（即原子、价电子、键和轨道）与倒易空间（即能带和费米面）之间通过对称性和拓扑学存在直接联系，因此可以在单粒子图像中对拓扑材料进行分类。目前，大多数材料被分类为平凡绝缘体、半金属和金属，或拓扑绝缘体、狄拉克和外尔线半金属和拓扑金属。拓扑结构的关键成分是：一定的对称性，导致导带和价带反转的外层电子的惰性对效应，以及自旋轨道耦合。这篇综述从固态化学家的角度介绍了与固体相关的拓扑概念，总结了生长单晶的技术，并描述了基本的物理性质测量技术，以表征拓扑材料的结构之外，并提供了这样的材料的例子。最后，对拓扑学在化学其他领域的影响进行了简要的展望。
2021-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy
晶体固体中的拓扑材料，包括拓扑绝缘体（TI）、拓扑晶体绝缘体（TCI）、拓扑Dirac半金属（DSM）、拓扑Weyl半金属（WSM）、拓扑Dirac或Weyl节线半金属（NLSM）等，主要具有拓扑的、受保护的非平凡表面态，其体相是适当存在Dirac锥的绝缘体或半金属，费米能级周围的外尔节点或狄拉克节点线。作者提出了一种将化学与物理相结合的两步计算筛选三维拓扑材料的策略，并考虑了完全填充能带和能带反转。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Band Representations and Topological Quantum Chemistry
在这篇文章中，我们提供了拓扑量子化学和拓扑晶体绝缘体理论的教学评论。我们首先概述了位置和动量空间中晶体对称群的性质。接下来，我们引入了能带表示的概念，它量化了拓扑平凡的能带结构的对称性。通过结合带表示与对称性约束的连接带在动量空间中，我们展示了如何拓扑非平凡带可以编目和分类。我们提出了几个新的拓扑阶段发现使用这种模式的例子，并对未来的发展前景的结论。
2020-06-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unconventional Materials: the mismatch between electronic charge centers and atomic positions
在拓扑量子化学的工作中，人们构造出了完整的能带表示。每一个BR都可以用实空间中Wyckoff点的定域轨道来表示，也可以用动量空间中的一组不可约表示来表示。在这项工作中，我们定义了非常规材料与平均电子中心和原子位置之间的不匹配的共同特征。它们可以有效地被诊断为其占用的频带可以表示为基本BR的总和（eBR），而不是原子轨道诱导BR的总和（aBR）。一个必要的BR在一个空的网站的存在描述的非零实空间不变量（RSIs）。“价”态可以通过aBR分解得到，并且非常规材料应该具有未补偿的总“价”态。利用第一性原理计算对非常规材料进行了高通量筛选。我们已经发现了423种非常规化合物，包括热电子材料、高阶拓扑绝缘体、氧化物、贮氢材料、析氢反应电催化剂、电极和超导体。这些有趣的性质和应用的多样性将在未来得到广泛的研究。
2022-01-13 cond-mat.mtrl-sci
Topological junction states in graphene nanoribbons: A route to topological chemistry
本文对已合成扩展人字形石墨烯纳米带进行系统拓扑分类，并理论建模双结输运，证明拓扑结态与 NO$_2$ 分子相互作用增强，可用于拓扑传感与结辅助化学。
2025-06-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Magnetic band representations, Fu-Kane-like symmetry indicators and magnetic topological materials
为了实现新的拓扑相，并在低能耗自旋电子学中寻求潜在的应用，磁性拓扑材料的研究具有很大的兴趣。从拓扑量子化学理论出发[Bradlyn et al.，Nature 547，298（2017）]，我们已经获得了动量空间中的不可约（co）表示和相容关系（CR），并且我们构建了其他具有反酉对称性的MSG（即III型和IV型MSG）在实空间中的完整能带（co）表示（MBR）列表。结果与磁拓扑量子化学[Elcoro等人，12，5965（2021）]。使用的CR和MBR，我们重现的MSGs的基于Hackey的分类，我们得到了一组傅凯恩式公式的对称性指标（SI）在无自旋（玻色子）和自旋（费米子）系统，这是实现在一个自动代码- TopMat -诊断拓扑磁性材料。磁性拓扑材料的占据态不能分解为磁共振的和，因此它们与非零SI是一致的。最后，利用我们的在线代码，我们对材料数据库中的磁性化合物进行了自旋极化计算，发现了许多磁性拓扑候选者。
2022-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Topological phonon analysis of the 2D buckled honeycomb lattice: an application to real materials
Universidad del País Vasco (UPV/EHU)（巴斯克大学）；Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV/EHU)（材料物理中心）；Donostia International Physics Center (DIPC)（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；Max Planck for Chemical Physics of Solids（马克斯·普朗克固体化学物理研究所）；University of the Basque Country (UPV/EHU)（巴斯克大学）
通过群论、拓扑量子化学、第一性原理和蒙特卡罗计算，分析二维凹陷蜂窝晶格声子谱的拓扑性质，发现九种拓扑相，但实际材料均处于平凡相。
2026-05-13 cond-mat.mtrl-sci
Spin-momentum locking from topological quantum chemistry: applications to multifold fermions
在自旋轨道耦合晶体中，对称性可以保护多重简并与大陈数和布里渊区跨越拓扑表面态。在这项工作中，我们探讨了手征多重费米子的非平凡拓扑结构对体态自旋织构的影响程度。为此，我们用约化密度矩阵定义了自旋-动量锁定。使用拓扑量子化学理论的工具，我们展示了如何从形成多重费米子的基轨道和能带表示的知识中确定约化的密度矩阵。我们展示了如何现场自旋轨道耦合，晶体场分裂，和Wyckoff位置多重竞争，以确定附近的手征费米子的自旋纹理的状态。我们计算了空间群$P432$（207）和$P2_13$（198）中几个典型例子中多重费米子的自旋织构。我们表明，费米表面周围的自旋缠绕数可以取许多不同的整数值，从零一直到$\pm 7$。最后，我们总结了如何将我们的理论应用到实际材料中使用的PtGa空间群$P2_13$的例子。
2022-04-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Two-dimensional Topological Quantum Chemistry and Catalog of Topological Materials
University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学）；Donostia International Physics Center (DIPC)（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；Princeton University（普林斯顿大学）；IKERBASQUE, Basque Foundation for Science（伊卡巴斯基克，巴斯克科学基金会）；Center for Computational Quantum Physics, Flatiron Institute（平顿研究所计算量子物理中心）；Laboratoire de Physique de l’Ecole normale supérieure, ENS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris-Diderot, Sorbonne Paris Cité（巴黎高等师范学院物理实验室，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心，索邦大学，巴黎第七大学，索邦巴黎城）
本文将拓扑量子化学形式化方法适配至层群，分析了C2DB和MC2D中8,872个2D材料条目，发现4,073个拓扑非平庸或阻碍原子绝缘体，并编制了拓扑二维材料数据库2D-TQCDB。
2026-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Bridging the Physics and Chemistry of graphene. From Huckel aromaticity to Dirac cones and topological insulators
通过将石墨烯和苯通过定义明确的多环芳烃序列及其固有的壳结构桥接，J. Phys. Chem. C，2018，122，17526，表明石墨烯实际上是交织的苯分子的相干排列，它们通过芳香性，壳结构和拓扑结构协调，所有这些都相互关联。石墨烯的奇异性质实际上是芳香性的宏观表现。在分子水平上，这被揭示为属于不同亚晶格的原子pz轨道的动态翻转，导致芳香环和非芳香环之间的动态交换，与前沿占据-未占据轨道或价导带交换相反的宇称相关，与多体和拓扑绝缘体理论完全一致。这种动力学的交换或耦合是由反转破缺驱动的，通过子晶格和空间群对称性之间的几何挫折激活。对于矩形纳米石墨烯，与六边形相反，这导致拓扑无间隙边缘状态，与相反的权利要求相反，其不是自旋极化的。
2019-12-02 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Graph Theory Data for Topological Quantum Chemistry
非相互作用粒子的拓扑相是由它们的能带结构和动量空间中的本征函数的整体性质来区分的。另一方面，传统上应用于固态物理的群论只关注布里渊区的局部性质（在高对称点，线和平面）。为了弥补这一差距，我们以前[B]。Bradlyn等人，Nature 547，298 - 305（2017）]将从局部数据构建全局能带结构的问题映射到图构建问题。在本文中，我们提供了明确的数据和制定必要的算法，以产生所有拓扑不同的图。此外，我们展示了如何将这些算法应用于在上述参考文献中突出显示的某些"基本"能带结构，并且因此识别和列表显示了可以引起拓扑断开的能带结构的所有轨道类型和晶格。最后，我们展示了如何使用新开发的BANDREP程序在毕尔巴鄂晶体服务器上访问我们的计算结果。
2017-07-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A diagnosis scheme for topological degeneracies at high-symmetry momenta
基于量子化学和拓扑量子化学的理论虽然在诊断带隙拓扑材料方面很强大，但由于违反了相容性条件，不能直接应用于诊断高对称动量下的带简并。在这里，我们设计了一个递归协议，利用指标的最大子群推断的拓扑性质的带退化在高对称线。为了演示，该方法被用来预测的存在等能量Weyl点和节点线笼，分别在声子带的In2Te和ZrSiO。
2019-10-25 cond-mat.mtrl-sci
Floquet Topological Spin-Valley-Layertronics on a Layered Dice Lattice
The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州））；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
本研究在层状骰子晶格体系中，利用圆偏振光、垂直位移场调控关联拓扑相，确立其为电控磁性与拓扑相的多功能平台，提供集成自旋-谷-层电子学的全电学方案。
2026-09-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Ternary Tetradymite Compounds as Topological Insulators
通过理论研究发现三元碲铋矿Bi2Te2S、Bi2Te2Se和Bi2Se2Te是稳定的块状拓扑绝缘体，在V族和VI族pz轨道之间显示带反转。我们确定Bi2Se2Te作为一个很好的候选人，研究大量的狄拉克费米子，与（111）解理面衍生的狄拉克点（DP）隔离在体带隙中的费米能量Ef像Bi2Se3，但与自旋纹理层化学变化。相比之下，Bi2Te2S和Bi2Te2Se（111）的行为类似于Bi2Te3，DP低于Ef，埋在体带中。Bi2Te2S提供器件所需的大的体电阻率。
2011-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Band Connectivity for Topological Quantum Chemistry: Band Structures As A Graph Theory Problem
传统的固体理论非常适合于描述动量空间中孤立点附近的局部能带结构，但很难捕捉到理解拓扑现象所必需的完整的全局图像。在最近的一篇论文[B。Bradlyn等人，Nature 547，298（2017）]，我们已经介绍了克服这一困难的方法，即根据图论将跨越布里渊区的许多断开的局部“k-dot-p”能带结构缝合在一起的问题公式化。在目前的手稿中，我们给出了我们完整的理论结构的细节。我们表明，晶体对称性强烈约束允许的能带的连通性，我们采用图论技术，如图形连接枚举这些约束的所有解决方案。图论的工具使我们能够在这些溶液中识别不连通的能带群，从而识别拓扑上不同的绝缘相。
2018-01-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Topological quantum chemistry
过去十年在预测和实验发现不同类别的拓扑绝缘体（TI）和半金属方面取得的明显成功掩盖了一个根本性的缺点：在材料数据库中现存的20万种化学计量化合物中，只有几百种是拓扑非平凡的。TI是如此深奥，还是反映了当前寻找TI的零碎方法的一个根本问题？为了解决这个问题，我们提出了一个新的和完整的电子能带理论，突出拓扑结构和局部化学键之间的联系，并结合传统的电子能带理论。拓扑量子化学是对所有可能的能带结构和材料的普遍全局性质的描述，包括动量空间的图论描述和实空间中的对偶群理论描述。我们分类可能的能带结构的所有230个晶体对称群产生的本地原子轨道，并显示拓扑非平凡的。我们展示了我们的拓扑带理论如何揭示新的光已知的TI，并展示了我们的方法来预测过多的新TI的力量。
2017-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
The (High Quality) Topological Materials In The World
拓扑量子化学（TQC）将给定材料的化学和对称结构与其拓扑性质联系起来。该字段将材料的10398个实空间原子极限数据列表，并求解动量空间中电子能带的相容关系。不满足原子极限或能带不满足相容关系的材料是拓扑绝缘体/半金属。我们使用TQC来寻找世界上拓扑化学计量的非磁性“高质量”材料。我们开发了几个代码添加到VASP，可以计算所有的字符的所有对称性在所有高对称点的布里渊区（BZ）。使用TQC，然后我们开发代码来检查哪些材料在ICSD的拓扑。在我们筛选的ICSD数据库中的26938种化学计量材料中，我们发现了2861种拓扑绝缘体（TI）和2936种拓扑半金属（分别为2505和2560个非f电子）。我们的方法是唯一能够表明，没有TI的发现表现出脆弱的拓扑结构。我们将拓扑材料划分为不同的物理类。对于大多数的5797“高质量”拓扑材料，我们计算：拓扑类（等价类的TQC基本带表示-等价于拓扑指数），对称性（ies），保护拓扑类，在高对称点和直接间隙（绝缘体）的表示，和拓扑指数。对于拓扑半金属，我们然后计算系统是否成为一个拓扑绝缘体（其指数/类，我们计算）打破对称性-有用的实验。以这种方式获得了2152个以上的TI。对于几乎所有的5065非f-电子拓扑材料，我们提供的电子能带结构，允许定量属性（间隙，速度）的识别。值得注意的是，我们详尽的结果表明，很大一部分（~ 24%！）自然界中所有材料的拓扑性（…
2019-03-29 cond-mat.mtrl-sci
All Topological Bands of All Nonmagnetic Stoichiometric Materials
拓扑量子化学和基于对称性的指示剂促进了在费米能（$E_{F}$）处具有拓扑性质的材料的大规模搜索。我们报告了在无机晶体结构数据库的96，196个可处理条目中，在所有位于和远离$E_{F}$的带中的稳定和脆弱拓扑结构的公开可访问目录的完成。我们的计算代表了已知的超导材料的能带拓扑结构的完成，并使重复拓扑和超拓扑材料，其中包括菱面体铋和Bi $_2$ Mg $_3$的发现成为可能。我们发现，52.65%的所有材料是拓扑在$E_{F}$，大约$2/3$的带在所有材料表现出稳定的拓扑结构，87.99%的所有材料包含至少一个稳定或脆弱的拓扑带。
2022-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Building Blocks of Topological Quantum Chemistry: Elementary Band Representations
由局部自由度描述的化学轨道和在动量空间中定义的能带理论之间的联系，是由扎克在几十年前在他的“基本”能带表示理论中提出的，适用于有和没有时间反演的无自旋系统。在Nature 547，298-305（2017）中，我们将该理论推广到具有时间反演对称性的自旋轨道耦合系统的实验相关情况，并证明了所有不变换为带表示的带都是拓扑的。在这里，我们给出了这个建筑的全部细节。我们证明，基本的频带表示连接的布里渊区的频带，并描述本地化的Wannier轨道尊重对称性的晶格（包括时间反演时，适用），或者，如果断开，描述拓扑绝缘体。然后，我们将展示如何从一个特定的Wyckoff位置生成一个带表示，并确定哪些Wyckoff位置生成所有空间群的基本带表示。这个理论适用于所有维度的自旋和无自旋系统，无论是否有时间逆转。我们引入了同伦的概念等价，并表明它的结果在一个更精细的分类拓扑相位比仅基于波函数的对称性在布里渊区的特殊点的方法。利用我们在Nature 547，298-305（2017）中介绍的带连接性到图论问题的映射，我们在同伴论文中展示了Wyckoff位置可以生成断开的基本带表示，为系统的材料搜索提供了一个自然的途径。
2018-01-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Two-dimensional Obstructed Atomic Insulators with Fractional Corner Charge in MA$_2$Z$_4$ Family
根据拓扑量子化学，一类电子材料被称为阻塞原子绝缘体（OAI），其中一部分价电子的中心必然位于晶格中没有原子占据的空$\textit{Wyckoff}$位置上。这些电子与它们的宿主原子重合的中心的阻碍是不平凡的，并且当边界被适当地切割时导致金属边界态。本文基于第一性原理计算并结合拓扑量子化学分析，提出了二维MA $_2$ Z $_4$（M = Cr，Mo，W; A = Si，Ge，Z = N，P，As）单分子层族均为OAI。一个典型的例子是最近合成的MoSi $_2$ N $_4$。虽然它是拓扑平凡绝缘体，占据的电子态是基本能带表示的整数组合，但它具有以空$\textit{Wyckoff}$位置为中心的价电子。它表现出独特的OAI诱导的金属边缘状态沿（1 $\bar{1}$ 0）边缘的MoSi $_2$ N $_4$单层和在三个顶点的某些六边形纳米盘样品尊重C $_3$旋转对称的间隙角状态。容易合成的MoSi $_2$ N $_4$是相当稳定的，并具有1.94 eV的大的体带隙，这使得这些边缘和角状态的识别最有可能用于实验澄清。
2022-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Lattice Materials with Topological States Optimized On-Demand
本研究基于拓扑量子化学提出新策略，将能带形态约束纳入拓扑优化算法，实现了具备目标拓扑特性的弹性晶格超材料的自动化发现与物理制备，解决了拓扑态材料实现的瓶颈问题。
2025-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Dynamic surface electronic reconstruction as symmetry-protected topological orders in topological insulator Bi2Se3
层状窄带隙半导体Bi_2Se_3是由具有强自旋轨道耦合（SOC）的重元素组成，是一种具有高热电优值（ZT）的热电材料，同时也是一种具有狄拉克锥状无带隙表面带的Z_2型拓扑绝缘体。基于价电子分布在杂化轨道上的扩展价键模型，提出了每个Bi2Se3五重层表面存在共轭π键系统。通过对X射线衍射数据进行傅里叶逆变换得到的电子能量损失谱（EELS）和电子密度（ED）图，证明了Bi2Se3的五重层上存在二维共轭π键系统.量子化学计算支持Se的部分填充4pz轨道之间通过侧边轨道重叠正π键的存在。每个五重Bi2Se3层的表面上的共轭π键系统被提出类似于在石墨（石墨烯）中发现的共轭π键系统，并且负责独特的2D导电机制。五重层之间的范德华（vdW）吸引力被解释为来自反铁电有序的有效电偶极子，这些有效电偶极子是由π键三聚体对在Se层上穿过最小库仑排斥的vdW间隙构造的。
2018-04-03 cond-mat.mtrl-sci
Topological Raman Band in Carbon Nanohorn
拉曼光谱已被用于化学和物理学研究涉及光和声子（晶格振动的量子）的基本过程。碳纳米角为拉曼光谱学引入了一个新的课题，即拓扑学。我们从理论上证明了具有非零缠绕数的光激发载流子通过Aharonov-Bohm效应激活拓扑$D$拉曼带。拓扑诱导的$D$拉曼带可以通过其峰位置与石墨烯边缘的普通$D$拉曼带区分开。
2013-04-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Catalogue of topological phonon materials
Princeton University（普林斯顿大学）；Zhejiang University（浙江大学）；Donostia International Physics Center（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids（马克斯·普朗克固体化学物理研究所）；Chongqing University（重庆大学）；University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克国立大学）；Peking University（北京大学）；IKERBASQUE, Basque Foundation for Science（伊克尔巴斯克，巴斯克科学基金会）
本文基于拓扑量子化学方法，对超过一万种三维晶体材料的声子带结构进行拓扑分类，发现并分类了超过千种非平凡声子材料，构建了拓扑声子数据库。
2022-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Filling-Enforced Obstructed Atomic Insulators
拓扑能带理论在高通量地研究顺磁性和磁性晶体材料的拓扑能带结构方面取得了巨大的成功。然而，很大一部分材料在费米能级上是拓扑平凡的绝缘体。在本文中，我们表明，值得注意的是，对于一个子集的拓扑平凡绝缘体，只知道他们的电子数和Wyckoff位置的原子，我们可以把它们分成两组：阻塞原子绝缘体（OAI）和原子绝缘体（AI）。有趣的是，OAI的电荷中心并不在原子上。利用拓扑量子化学理论，在1651 Shubnikov空间群中，我们首先导出了拓扑平凡绝缘体成为填充强制阻塞原子绝缘体（feOAI）的充要条件.值得注意的是，填充强制标准使得能够在不知道能带结构的表示的情况下识别被阻挡的原子带。因此，不需要从头计算的填充强制标准，虽然他们需要获得的带隙。在拓扑量子化学网站的帮助下，我们对feOAI进行了高通量搜索，发现957个ICSD条目（638种独特材料）是顺磁性feOAI，其中738（475）种材料具有间接间隙。FeOAIs的金属阻挡表面状态也展示了几种材料的例子。
2021-06-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Fragile topologically flat band in the checkerboard antiferromagnetic monolayer FeSe
通过第一性原理计算和磁拓扑量子化学，我们证明了棋盘形反铁磁（AFM）单层FeSe中的低能物理，它非常接近于AFM拓扑绝缘体，具有强大的边缘态，可以被费米能级以下的双简并脆弱的拓扑平坦带很好地捕获。威尔逊圈计算确定，这种脆弱的拓扑结构是由$S_{4z}$对称性，这引起了AFM高阶拓扑绝缘体，支持与分数电荷$e/2$在样品角的束缚态的保护。这是首次报道的$S_{4z}$保护的脆性拓扑材料，为研究磁性脆性拓扑电子态的有趣性质提供了一个新的平台。在我们的工作中，也可以很好地理解以前的观察棋盘原子力显微镜单层FeSe的边缘态和束缚态。
2022-02-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Room-Temperature Metallic 2D Ferromagnetism Stabilized by Quantum Metric
The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州））
本研究提出量子度量稳定室温二维金属铁磁序的机制，通过ARPES测量与理论分析，发现层状电子化物YCl的金属二维骰子晶格可产生高于室温的居里温度，为量子几何的基础意义及磁存储器应用提供了新实例。
2026-10-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
High Spin-Chern-Number Insulator in $α$-Antimonene with a Hidden Topological Phase
在研究单层$α$相V族元素的拓扑电子结构时，我们发现了一个新的拓扑相，它在基于拓扑量子化学（TQC）和对称性指示（SI）中是不可见的.由于$α$相As和Sb在高对称点处共享相同的能带表示，因此它们在TQC和SI方面都是平凡的绝缘体。然而，我们证明了As和Sb之间存在拓扑相变，该相变涉及在高对称性$\rm{X}$ - $\rmΓ$ - $\rm{X}$线上的两个$k$ -点处的带隙闭合。在没有自旋轨道耦合（SOC）的情况下，As是平凡的绝缘体，而Sb是狄拉克半金属，具有远离高对称线的四个狄拉克点（DP）。包含$S_z$ -保守的SOC间隙的狄拉克点，并诱导一个非平凡的Berry曲率和驱动器Sb到一个高自旋陈数拓扑相位。$α$的能带结构与Sb的不同之处在于在$Γ$处的能带反转，将Bi转变为Z $_2$拓扑绝缘体。我们的研究表明，量子化自旋霍尔电导率可以作为一个拓扑不变量以外的Z $_2$表征拓扑相。
2022-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Topological Materials Discovery from Crystal Symmetry
拓扑材料的发现在过去的15年中以快速的速度发展，在第一个拓扑拓扑绝缘体（TI），拓扑晶体绝缘体（TCI）和3D拓扑半金属（TSM）的识别之后。最近，通过完整的分析，允许的能带结构-包括拓扑量子化学（TQC）的理论-研究人员已经确定了晶体对称性增强威尔逊环和完整的基于拓扑相的指标，导致发现更高阶的TCI和TSM。TQC和相关方法在高通量材料发现中的最新应用已经揭示，超过一半的已知化学计量的、固态的、异质结材料在费米能级上是拓扑的，超过85%的已知化学计量的材料具有能量隔离的拓扑带，并且在已知材料中的能量隔离带中的略低于$2/3$的具有TI或TCI的稳定拓扑。在这篇评论中，我们调查拓扑电子材料发现在结晶固体从第一个2D和3D TI的预测最近推出的方法，促进了大规模的搜索拓扑材料。我们还讨论了未来的场地，为识别和操纵的固态拓扑相，包括电荷密度波化合物，磁性材料，和二维少层设备。
2021-11-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Towards a Topological Classification of Nonadiabaticity in Chemical Reactions
本文提出利用拓扑不变量欧拉类对化学反应中非绝热耦合的分布进行分类，并通过一个具有相同势能面但不同欧拉类的模型系统，论证了非绝热动力学差异源于耦合分布的定性不同。
2023-10-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Doubled Quantum Spin Hall Effect with High-Spin Chern Number in $α$-Antimonene and $α$-Bismuthene
量子自旋霍尔效应的发现点燃了拓扑物理学领域的热情，带来了各种奇异的性质。在这里，我们提出了双量子自旋霍尔效应的出现在二维表征与一个高自旋陈数${\mathcal C_S}=2$和两对螺旋边缘状态。尽管在拓扑量子化学和对称性指示剂理论中被忽视和不可见，但已经实验合成的$α$ -锑烯和$α$ -铋烯被揭示为预测拓扑状态的现实材料候选者，并且在一般的$k$ -点而不是高对称性动量处出现带反转。值得注意的是，$α$ -铋烯的非平凡能隙可以大到464 meV，这表明在室温下观察到量子自旋加倍霍尔效应的可能性很高。此外，一个四带有效模型的构建，以证明进一步实现这种类型的非平凡拓扑结构的可行性。我们的研究结果不仅揭示了锑和铋的一个新的拓扑特征，但也将促进以前被忽视的隐藏拓扑的实验表征。
2022-02-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Topological Insulator Materials
拓扑绝缘体代表物质的一种新的量子态，其特征在于由于体波函数的拓扑特征而出现的特殊边缘或表面态。本文介绍了拓扑绝缘体材料的基本理论和材料特性。在介绍了拓扑绝缘体的历史观点和基本理论之后，讨论了截至2013年5月发现的所有拓扑绝缘体材料，并对作者参与的材料发现的进展进行了说明。总结了确定候选材料拓扑性质的可能方法。各种合成技术，以及实现大容量绝缘样品是重要的缺陷化学进行了讨论。讨论了拓扑绝缘体的特性，重点是输运性质。特别是，狄拉克费米子物理和由此产生的奇特的量子振荡模式进行了详细讨论。它强调，适当的量子振荡的分析，使它有可能明确地确定表面狄拉克费米子通过运输测量。展望拓扑绝缘体材料阐明新的量子现象，等待发现的结论。
2013-09-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Emergent surface superconductivity of nanosized Dirac puddles in a topological insulator
三维拓扑绝缘体的表面已经成为凝聚态量子matter 1 -5的最显着的状态之一，其中狄拉克粒子的奇异电子相应该arise 1，6-8。在这里，我们报告了一个发现的表面超导性的拓扑材料（Sb 2 Te 3）的电阻转变在~9 K的温度诱导通过生长化学的一个小的调整，耗尽体导电通道。耗尽使费米能向狄拉克点移动，载流子密度降低了两个数量级，载流子迁移率非常大（约25，000 cm ^2/Vs）。来自扫描隧道光谱和磁响应的直接证据表明，超导凝聚体在前所未有的更高温度下（接近60 K及以上）在表面水坑中形成。我们观察到在水坑中出现的新超导态可以通过能带工程通过费米速度和平均自由程等拓扑材料参数进行调整;它可能成为马约拉纳模式的狩猎场6，并导致量子信息处理方式的破坏性范式变化9。
2014-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Symmetry-breaking-induced topology in FeSe
Donostia International Physics Center（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；University of the Basque Country (UPV/EHU)（巴斯克大学）；Goethe-Universität Frankfurt（法兰克福歌德大学）；Université de Sherbrooke（舍布鲁克大学）；RIKEN iTHEMS（理化学研究所 iTHEMS）；Center for Emergent Matter Science, RIKEN（理化学研究所 emergent matter science 中心）；Regroupement Québécois sur les Matériaux de Pointe (RQMP)（魁北克前沿材料研究联盟）
通过打破四方C4旋转对称性，利用单轴应变或温度诱导结构变化，在块体FeSe中实现强拓扑绝缘体相，并通过DFT和DMFT计算验证其鲁棒性。
2025-08-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Superconductivity from On-Chip Metallization on 2D Topological Chalcogenides
本文提出一种片上二维金属化工艺，将钯超薄层沉积于Td-WTe2、1T'-MoTe2和2H-MoTe2等拓扑TMDs单层及双层上，成功诱导出起始材料不具备的超导电性，为关联二维材料中超导与拓扑相的设计提供了新途径。
2024-04-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
