教学科研 | 物理与电子工程学院路俊哲教授在二维拓扑材料研究方面取得进展

发布时间：2026-10-02浏览次数：

近日，物理与电子工程学院路俊哲教授团队在二维拓扑材料研究方面取得重要突破，成功理论预测了一种兼具强各向异性与新奇拓扑电子态的新型二维材料——Zr2As2O单层。该研究成果以“Anisotropic properties of topological nodal line semimetal Zr2As2O monolayer”为题，在国际学术期刊《CHINESE JOURNAL OF PHYSICS》（JCR Q1，IF = 4.6）上发表。该论文的通讯作者为路俊哲教授，2024级凝聚态物理专业研究生郭钰茹为第一作者，新疆师范大学为第一完成单位。

该研究揭示了该材料中罕见的动量空间拓扑态分异现象及应变调控机制，为未来超快、低功耗、方向敏感的纳米电子器件提供了全新的材料平台。拓扑节线半金属因其在动量空间中受对称性保护的一维闭合能带交叉而具有无质量狄拉克费米子输运、高载流子迁移率等独特性质，是凝聚态物理和前沿器件研究的热点。然而，现有二维节线材料大多只呈现单一的第一类狄拉克色散，能够同时实现多类型狄拉克态共存的体系极为罕见，严重制约了相关拓扑量子器件的功能化发展。

基于上述问题，该团队通过第一性原理计算，系统研究了Zr2As2O单层的结构稳定性、力学和电子输运各向异性、拓扑电子态特征以及应变响应。

研究发现，Zr2As2O材料具有稳定的结构与显著的力学/输运各向异性：Zr2As2O单层具有四方晶系结构（P4/mmm空间群），形成能计算结果为-1.15 eV/atom，声子谱无虚频，300 K下分子动力学模拟结构未发生分解，证实了其热力学与动力学稳定性。力学计算表明其杨氏模量为11.45 GPa，泊松比为0.1，电子输运峰值电导率达2.22×106 S/m，费米速度高达6.16×105 m/s，展现出沿不同晶向的显著各向异性特征。

图1(a)结构俯视图，黑色方框标示原始单元；(b)结构侧视图；(c)电子定位函数（ELF）俯视图；(d)第一布里渊区；(e)声子色散关系；(f)300 K条件下 AIMD 时刻5皮秒内的总势能变化曲线；(g)杨氏模量极坐标图；(h)泊松比

拓扑节线与狄拉克色散方向选择性共存：能带分析显示该体系在费米能级附近存在由Zr-dxy和As-pz轨道反转形成的“蝴蝶状”节线，并由M001镜面对称性保护（拓扑不变量ζ0=1）。沿Γ→X方向呈现常规第一类向准第三类狄拉克色散的连续演化，并伴随准平带特征；而沿Γ→M方向始终保持第一类狄拉克色散。同一材料中不同动量方向实现第一类与准第三类狄拉克态的空间分离，为多载流子协同操控提供了理想平台。

图2(a)点D1附近斜率指数 γL 和 γR 的分布；(b)点D2处沿不同k方向（θ）的分布；(c) θ =0、85和90时，沿k路径在狄拉克点D1附近的低能带结构；(d) θ =0、65和125时，沿k路径在狄拉克点D2附近的低能带结构；(e)沿两个主轴方向，电子电导率随化学势（μ）从-1至1 eV的变化关系；(f)包含自旋轨道耦合效应的能带结构示意图

应变诱导拓扑相变：施加适中单轴或双轴压缩应变可重塑节线几何构型，并在Γ→X方向驱动狄拉克色散从第一类向第二类转变。这一非均匀响应的应变调控机制为在单一材料中实现方向依赖的电子输运器件设计提供了新的理论路径。

图3(a)-(f)分别为沿a轴方向在单轴压缩率为-5%、-3%、-1%、1%、3%和5%时，导带与价带中带隙的等值线图

图4(a)沿a轴单轴应变（-5%）下的能带结构；(b)双轴应变（-4%）下的能带结构

该成果不仅丰富了二维拓扑节线材料家族，更系统揭示了节线体系中多重狄拉克态共存的物理机理及其应变调控机制，为发展低维材料中的各向异性输运和可重构拓扑电子态奠定了重要的理论和材料基础。

本研究获得2026年新疆自然科学基金面上项目和2024年国家自然科学基金（项目编号：12464037）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cjph.2026.06.013