[发明专利]拓扑电子材料的判定和搜索方法

说明书

本发明提供一种拓扑电子材料的判定方法，其包括：步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。本发明的方法过程简单，能够全面快速地找出所有能用对称本征值判断的拓扑材料。

技术领域

本发明涉及计算物理和材料科学领域，尤其涉及一种拓扑电子材料的判定和搜索方法。

背景技术

拓扑电子材料是近年来在凝聚态物理学中被发现的一类新型材料，包括拓扑绝缘体材料和拓扑半金属。它的主要特点是拥有非平凡的“拓扑性质”，具体体现在两个方面：1.在拓扑绝缘体材料的表面，存在着一般二维材料中无法实现的表面电子态(如没有背散射的电子态等)；2.在拓扑半金属的体内，存在着线性负磁阻等所谓“量子反常”的现象。这些性质使得拓扑电子材料在高容错的拓扑量子计算、超低能耗电子器件等多方面有着应用前景。也让很多计算物理学家和材料科学家积极寻找更新的更好的此类材料。

然而，发现新的拓扑电子材料并非易事。现有的判断拓扑电子材料的方法需要先对布里渊区密集采点(一般要几十上百个点)进行第一性原理计算，然后再计算“拓扑不变量”，通过拓扑不变量的数值来判断材料是否是拓扑的。因此，对于一个给定的化合物，想要预先判断它有无拓扑性质，必须计算它的“拓扑不变量”。拓扑不变量首先是一个复杂的数学概念，涉及到大多数领域内科学家所不具备的当代数学知识如“代数拓扑学”；其次，即便在数学知识完备的情况下，在第一性原理计算软件中实现拓扑不变量的计算也是非常繁琐的，时间代价和人工代价极高。因此，急需一种判定和搜索拓扑电子材料的简单易行的方法。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种全面、快速、自动化的拓扑电子材料的判定方法，其包括如下步骤：

步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；

步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；

步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，所述步骤2还包括对所选材料的结构文件进行对称性检查及结构规范化。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，如果材料在高对称点占据数能带处存在简并，则判定该材料属于“高对称点拓扑半金属”。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料在高对称点占据数能带处不存在简并，则进行如下步骤4：

步骤4：判断材料的能带是否满足相容性关系。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，根据所述能量本征值获得材料的直接能隙，如果所述直接能隙大于等于2meV，则判断材料在高对称点占据数能带处不存在简并。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，根据所述能量本征值获得材料的直接能隙，如果所述直接能隙小于2meV，则进行简并态计算。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料的能带不满足相容性关系，则该材料属于“高对称线拓扑半金属”。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料的能带满足相容性关系，则进行如下步骤5：

步骤5：计算材料的对称性指标。

根据本发明的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤5中，忽略自旋轨道耦合效应时，如果所述对称性指标不全为0，则判定该材料属于“一般点拓扑半金属”。