Quantum Matter Seminar: 从第一性原理出发计算材料磁电阻和霍尔效应

吴泉生

中国科学院物理研究所

报告时间：2024年4月16日（周二）上午10:00

报告地点：紫金港校区段永平教学楼2号楼212报告厅

摘要：

在本报告中，我们针对一系列材料中的磁输运现象进行了深入探讨，采用了第一性原理计算与半经典玻尔兹曼输运理论相结合的方法，并应用了迟豫时间近似。我们研究了拓扑平凡与拓扑材料中广泛存在的不饱和磁阻效应，阐明了载流子补偿、开放轨道机制及费米面拓扑在驱动这些效应中的作用。通过对典型金属、半金属和外尔半金属的研究，展示了与实验数据在低温下的磁阻及其各向异性方面的显著一致性。

此外，我们还系统分析了各种霍尔效应，揭示了普通霍尔效应与异常霍尔现象之间的细微相似性和比例关系，通过对代表性材料的详细研究，证明了科勒定律也适用于霍尔电阻率，为霍尔效应家族提供了新的见解，并激发了对这些迷人输运性质进一步探索的兴趣。

进一步地，我们针对窄隙半导体中令人困惑的异常电阻峰值和霍尔电阻率符号反转问题，通过严谨的第一性原理方法进行了探讨。我们的研究为这些现象提供了一致的解释，强调了多载流子动力学和费米面几何形状的重要性，无需引入拓扑相变。

最后，我们引入了一种新的方法来解释磁性材料中观察到的复杂磁输运行为，包括温度和磁场依赖性。这种方法不仅与实验观察结果高度吻合，而且增进了我们对磁性材料独特的磁阻和霍尔电阻率的理解。我们的工作为理解广泛材料中的磁输运性质提供了坚实的基础，突显了理论框架在解读实验观察中的关键作用，并为未来在磁输运现象领域的探索奠定了基础。

总之，我们通过理论计算与实验结果的对比，深入探讨了各种霍尔效应和磁阻（MR）现象随磁场的依赖关系，强调了这些输运现象主要由材料内秉的费米面形状（例如载流子类型和速度）及外秉的平均散射时间（反映样品质量）所决定。特别是，平均散射时间近似的成功应用，不仅展示了理论预测与实验观测之间的完美契合，而且揭示了原本被认为复杂的输运现象实际上直接反映了物质本征的费米面复杂性。我们认为，各式各样的霍尔效应和磁阻效应，就像密度、磁性质、光学响应等物质的本征性质一样，可以用于鉴别和标识物质，其重要性远超过原先认为的强烈依赖于外在因素的视角。这一发现不仅为理解材料的磁输运性质提供了新的理论框架，也为物质的科学分类和应用开辟了新的路径。

 

References：

1. Magnetoresistance from Fermi surface topology, SN Zhang, QS Wu*, Y Liu, OV Yazyev*, Physical Review B 99 (3), 035142 (2019).

2. New perspectives of Hall effects from first-principles calculations, SN Zhang, H Pi, Z Fang, H Weng*, QS Wu*, arXiv:2401.151503 (2024)

3. First-principles Methodology for studying magnetotransport in magnetic materials, Z Liu, S Zhang, Z Fang, H Weng*, QS Wu*, arXiv:2401.15146 (2024)

4. First-principles methodology for studying magnetotransport in narrow-gap semiconductors: an application to Zirconium Pentatelluride ZrTe5, H Pi, S Zhang*, Y Xu, Z Fang, H Weng*, QS Wu*, arXiv:2401.15151 (2024)

报告人简介：

吴泉生，中科院物理所特聘研究员和博士生导师。他于2013年获得中科院物理所博士学位，2015-2021年期间先后在苏黎世联邦理工学院（ETHZ）和洛桑联邦理工学院（EPFL）进行博士后研究，2021年年底加入物理所。他的主要研究领域是拓扑材料及其输运性质和机器学习在凝聚态中的应用。他在Science、Nature、PRL等重要杂志上发表了多篇文章，SCI引用7000余次，H因子31。由他主导开发的WannierTools软件成为拓扑材料领域的重要工具，软件引用超过1700次。