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王志俊
2023-12-30

简介：


2014年获得博士学位，然后到美国普林斯顿大学做博士后研究。2018年加入中国科学院物理研究所，现任研究员、博士生导师。主要从事计算凝聚态物理领域的研究。发展了拓扑能带表示理论和新型费米子理论，成功计算预言了三维狄拉克材料Na3Bi和Cd3As2、本征拓扑超导Fe(Se,Te)、非简单空间群绝缘体KHgSb、三重费米子CoSi、轴子绝缘体Ta2Se8I和激子绝缘体Ta2Pd3Te5等。迄今共发表SCI论文100余篇，被引用2万余次，个人H 因子53。2019至今连续六年入选科睿唯安 “全球高被引科学家” 物理领域榜单。

主要研究方向：


主要从事计算凝聚态物理方向的研究工作，发展拓扑物态理论及其材料计算方法，挖掘新型拓扑量子材料及其新奇物性，涉及磁性、关联、超导等材料。

团队主页：http://tm.iphy.ac.cn

计算工具：http://www.topmat.org

过去的主要工作及获得的成果：


在拓扑物态理论、材料计算预言及其新奇物性的研究中取得了多项原创性重要成果：

  1. 成功计算预言了多种新型拓扑量子材料和新奇物性，包括狄拉克材料Na3Bi和Cd3As2，本征拓扑超导材料Fe(Se,Te)，沙漏费米子材料KHgSb，三度简并费米子材料CoSi，关联外尔半金属Ta2Se8I等，先后被国内外多个实验小组所证实，被广泛关注和研究。
  2. 提出了没有高能粒子模型对应的“新型费米子”，如三度简并费米子，为凝聚态准粒子添加了新成员；发展了完备的晶体空间群能带表示理论，即“拓扑量子化学”，提出来了完备的实空间原子轨道与倒空间能带表示的对应关系，极大地推动了拓扑材料研究；完成磁性拓扑量子化学，给出对称性指标计算公式和高通量检索代码；提出了新的非常规材料（或阻塞原子绝缘体，如α-Nb3Cl8/Nb3Br8，1H-MoS2/NbSe2，RuAs2，SrIn2P2），有较高的化学活性和丰富的性质，如热电，电化学催化，固态储氢等。
  3. 发展相应的材料计算软件包并取得两项软件著作权：
    (a) IRVSP软件用于计算磁性材料（或非磁）的所有k点的第一性原理能带的表示（包括VASP、QE、电子、声子、Wannier TB等），极大地方便拓扑材料分析【软著登记号：2024SR0296411】；
    (b) VASP2kp软件用于第一性地构造磁性材料（或非磁）的所有k点的kp有效模型，并计算得到模型各参数和Lande g因子，极大地方便相关物性研究【软著登记号：2024SR1910928】；
    (c) TopMat拓扑材料计算软件集，完全基于第一性原理计算（DFT波函数），集成了k点小群表示计算、kp模型计算、Wilson-loop贝里相位分析、能带表示分解、费米面计算和1651磁空间群对称性拓扑分类等功能（POS2MSG自动生成对称性最高磁空间群构型；MOM2MSG由给定磁构型找到磁空间群号）。
     

科研进展：

  1. 拓扑新材料和新物态研究进展：

    • 计算预言了Eu3In2As4材料可以实现多种磁性拓扑相。研究表明：1. 该反铁磁材料的基态为交错磁体，饱和临界磁场为1.5T左右，处于拓扑相边界；2. 通过应力可以实现轴子绝缘体态，由磁性宇称指标Z4=2来描述；3. 磁场诱导的铁磁相为磁性外尔半金属相，在量子阱材料中可以实现量子反常霍尔效应【arXiv:2412.16998 (PhysRevB.111.L041117); arXiv:2403.07637】。
    • 在第二类Dirac半金属中提出了平带Majorana棱态。计算表明：1. 在第二类Dirac半金属中考虑轨道间相互作用时，可以实现新奇的三维拓扑超导态，同时存在一阶和二阶拓扑超导态；2. 一阶拓扑超导态将导致拓扑表面态，更重要的是，二阶拓扑超导态将在整个棱上（hinge）产生Majorana平带【Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 127011 (2024)】。
    • 与实验组的合作研究团队在准一维铋碘化合物 α-Bi4I4单晶中揭示了一类新的拓扑物态——三维量子自旋霍尔绝缘体，没有对称性指标，由自旋陈数（spin Chern number）来描述。实验上观测到了每层所对应的一维拓扑边界态，并验证了这些边界态的层间耦合很弱。这个发现不仅进一步拓展了对拓扑物态的认识，也为在三维体材料中实现近量子化的自旋霍尔电导提供了较为理想的材料选择【Phys. Rev. X 14, 041048 (2024)】。
       

  2. 发现Ta2Pd3Te5材料中的拓扑态后，2021年开始分别与物理所钱天组、东京固体物理所的张鹏(南大)合作，研究表明了Ta2Pd3Te5材料中的激子绝缘态:

    • 理论提出了Ta2Pd3Te5的激子绝缘态。计算表明：1. 单层Ta2Pd3Te5的带边波函数具有相同的C2z对称性本征值，二维极化率在带隙趋近零时将不会发散；2.通过单层材料的GW+BSE的计算表明其激子结合能大于单粒子带隙，意味着该单层体系中存在激子失稳；3. Ta2Pd3Te5块材的带边波函数具有相同的宇称，正常态接近零能隙，晶体具有准一维特征，这三个因素有利于块体材料中激子凝聚【Chin. Phys. Lett. 41, 097101 (2024)】。
    • 与实验合作证实了Ta2Pd3Te5块材中的激子绝缘态。实验表明：1. 体态能隙随着温度降低逐渐变大；2.通过高能量光子探测的Ta的深轨道能级，表明导带Ta dz2和价带Pd dxz轨道间有明显的杂化；3.通过元素替代生长实现了空穴掺杂，Pump-Probe实验测量显示电子-空穴浓度的失衡显著破坏了激子凝聚，使得体系回归正常金属相（接近零能隙，不存在对称性保护的狄拉克点）【Phys. Rev. X 14, 011046 (2024); Phys. Rev. X 14, 011047 (2024)】。
       

  3. 1T-PtX2系列材料研究中取得多项进展：

    • 在1T-PtSe2单层非常规材料中提出了实现Majorana零能模的方案。研究表明：1.其电子能带结构具有非常规性，导致阻挫电子边界态的存在；2.该边界态具有大的Rashba自旋轨道劈裂。3. 不同边界的能隙不一样，通过外加磁场和超导近邻作用可以在该单层材料的角态中实现Majorana零能模【Phys. Rev. B 110, 035151 (2024)】。
    • 计算发现了有序Te空位缺陷的PtTe2材料——PtTe1.75——是一种既具有大且可调自旋霍尔电导（SHC），又具有卓越析氢活性的二维非常规材料。计算表明：1.Te空位导致价带电子形成空位能带表示，电子电荷中心正好在空位；2. 自旋轨道耦合导致体系经历临界Weyl相，进入拓扑非平庸的量子自旋霍尔相；3.空位导致的Rashba自旋轨道劈裂αR达到了0.81 eV*Å；4. 费米能级附近SHC可在[-1.2, 3.1] × 103 ħ/e (Ω*cm) 范围单调可调【Research 6, 0042 (2023)】。
    • 计算预言了1T-PtSe2材料的180度双层结构（π bilayer）的铁电金属性。计算表明：1.单层是绝缘体，但是两层是金属；2.两层通过绕z轴180度旋转相联系，铁电极化翻转通过层间滑移实现。3.电荷掺杂可以有效改变z方向的极化强度【Phys. Rev. B 108, 104109 (2023)】。
       

  4. 提出了非常规(阻塞)电子能带和声子谱，取得多项重要进展：

    • 计算提出了非常规声子谱和导致的阻塞边界声子模式。计算表明：1. 与阻塞原子（非常规）绝缘体类似，声子谱也有相应的阻塞声子谱；2. 阻塞声子谱可以分为两类：第一类是声子谱能带表示中心不在原子上；第二类则是声子谱能带表示的局域震动模式不是p轨道对称性；3. 1H-MoSe2（黑磷）系列材料即有非常规的电子能带，也具有第一类（第二类）非常规的声子谱，同时相应的阻塞声子边界模式也被计算预言【Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 246811 (2024)】。
    • 计算提出了非常规金属及其超导电性的存在。计算表明：1. 1H-NbSe2系列材料体系的电子结构中存在空位能带表示A1’@1e；2. 通过化学掺杂和电声耦合计算表明，该空位能带1/2占据时具有较强的电声耦合；3.预言了非常规金属TaNS单层和2H-TaN2块料分别具有10k和26k的超导转变温度【npj Comp. Mat. 10, 25 (2024)】。
    • 在手征材料Te和Se单质中发现了大的位移电流（shift current）、非常规电子能带结构和π Zak相位。计算表明：电子占据能带态包含空位能带表示，即电子电荷中心分布在空位上。该特征与大位移电流和π Zak相位的形成有关系【Phys. Rev. Res. 5, 023142 (2023)】。
       

  5. 开发了基于第一性原理计算的开源软件VASP2kp（VASP2kp.org），自动构建(磁性)材料所有k点的有效kp模型和塞曼耦合项，并基于DFT计算相应参数和朗德g因子（不需要拟合参数）。材料模型哈密顿方法在物理领域有着广泛应用，这项工作将极大改善研究效率，基于DFT的多带kp模型可以像Wannier函数一样流行【Chin. Phys. Lett. 40, 127101 (2023)】。

 

代表性论文及专利：



2019-2022年：

  1. Vergniory, M. et al. "A complete catalogue of high-quality topological materials",  Nature 566, 480–485 (2019). 该成果 “最新研究表明自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构” （并列三项之一）入选两院院士评选的 “2019年度中国十大科技进展新闻” 。
  2. Qian, Y. et al. "Topological electronic states in HfRuP family superconductors", npj Comput. Mater. 5, 121 (2019).
  3. Qian, Y. et al. "Weyl semimetals with S4 symmetry", Phys. Rev. B 101, 1055143 (2020).
  4. Nie, S. et al. "Magnetic Semimetals and Quantized Anomalous Hall Effect in EuB6",  Phys. Rev. Lett. 124, 076403 (2020).
  5. Liu, Q. et al. "Symmetry-enforced Weyl phonons", npj Computational Materials 6, 95 (2020). 提出来对称性保护和对称性保证的声子外尔准粒子，含C=1，2，和4等。
  6. Gao, J. et al. "Electronic structures and topological properties in nickelates Lnn+1NinO2n+2", National Science Review, nwaa218 (2020).
  7. Tian, S. et al. "Magnetic topological insulator MnBi6Te10 with a zero-field ferromagnetic state and gapped Dirac surface states", Phys. Rev. B 102, 035144 (2020).
  8. Gao, J. et al. "High-throughput screening for Weyl Semimetals with S4 Symmetry",  Sci. Bull. 66, 667 (2021).
  9. Shi, W. et al. "(TaSe4)2I: A Charge-Density-Wave Topological Semimetal", Nat. Phys. 17, 381-387 (2021).
  10. Gao, J. et al. "IRVSP: to obtain irreducible representations of electronic states in the VASP",  Comput. Phys. Comm. 261, 107760 (2021); https://github.com/zjwang11/irvsp/.
  11. Nie, S. et al. "Application of topological quantum chemistry in electrides", Phys. Rev. B 103, 205133 (2021).
  12. Nie, S. et al. "Six-fold Excitations in Electrides",  Phys. Rev. Research 3, L012028 (2021).
  13. Fan, W. et al. "Discovery of C2 rotation anomaly in topological crystalline insulator SrPb", Nat. Comm. 12, 2052 (2021).
  14. Guo, Z. et al. "Quantum Spin Hall Effect in Ta2M3Te5 (M = Pd, Ni)", Phys. Rev. B 103, 115145 (2021).
  15. Shao, D. et al. "Topological insulators in the NaCaBi family with large SOC gaps", Phys. Rev. Research 3, 013278 (2021).
  16. Pei, C. et al. "Quasi-one-dimensional Weyl semimetal (NbSe4)2I", Mater. Today Phys., 21 100509 (2021).
  17. Gao, J. et al. "Unconventional materials: the mismatch between electronic charge centers and atomic positions", Sci. Bull. 67, 598 (2022); https://github.com/zjwang11/UnconvMat/. 提出并搜索了非常规材料（包括阻塞绝缘体和阻塞金属），研究了其阻塞边界态和各种功能材料特性。
  18. Wu, D. et al. "Unprotected quadratic band crossing points and quantum anomalous Hall effect in FeB2 monolayer", Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 256811 (2022). 提出了二维双外尔点.
  19. Deng, J. et al. "Twisted nodal wires and three-dimensional quantum spin Hall effect in distorted square-net compounds", Phys. Rev. B 105, 224103 (2022).
  20. Gao, J. et al. "Magnetic band representations, Fu-Kane-like symmetry indicators, and magnetic topological materials", Phys. Rev. B 106, 035150 (2022); https://github.com/zjwang11/TopMat/; http://tm.iphy.ac.cn/TopMat_1651msg.html.
  21. Guo, Z. et al. "Quadrupole topological insulators in Ta2M3Te5 (M = Ni, Pd) monolayers", npj Quantum Materials 7, 87 (2022).
  22. Liu, W. et al. "Spontaneous Ferromagnetism Induced Topological Transition in EuB6",  Phys. Rev. Lett. 129, 166402 (2022).

 

2018年以前：

  1. 提出基础能带表示理论并开发了相关开源软件包
    结合能带理论与k点小群的表示理论，首次把能带在布里渊区的每个k的表示作为一个整体看待，发展出了一套全新的基本能带表示理论——拓扑量子化学。同时结合第一性原理计算软件包VASP，开发了一套完整的计算k点不可约表示，对称性指标以及拓扑分类的开源程序包（"VASP2trace": https://github.com/zjwang11/irvsp/blob/master/src_trace_v2.tar.gz and "CheckTopologicalMat": www.cryst.ehu.es/cryst/checktopologicalmat）。用户可以自行下载相关程序，检查新材料的拓扑性 (An available hands-on note @ https://github.com/zjwang11/irvsp/blob/master/vasp2trace_HandsOn.pdf)。
    代表论文：
         a. Bradlyn, B. et al. Topological quantum chemistry. Nature 547, 298–305 (2017).
         b. Cano, Jennifer et al. Phys. Rev. B 97, 035139 (2018).
     
  2. 新型准粒子——三度简并准粒子
    提出了晶体对称性保护的所有可能的高度简并准粒子, 比如自旋 1 的三度简并准粒子, 并预言了一系列材料（CoSi等)，开启了在三维晶格系统中发掘新型准粒子研究的新篇章, 相关成果发表在《Science》杂志上。
        代表论文：
         a. Bradlyn, Cano, Wang, et al. Unconventional quasiparticles. Science 353, aaf5037 (2016).
     
  3. 沙漏费米子和拓扑Dirac绝缘体
    将对称性保护的拓扑绝缘体拓展到非简单空间群保护的拓扑类, 如沙漏费米子材料KHgSb, 相关研究成果发表在《Nature》杂志上,受到国内外同行的广泛关注。当考虑两个滑移镜面对称性和时间反演之后，我们又提出了一类新的拓扑态——拓扑Dirac绝缘体, 即体态绝缘，表面导电态构成一个四度简并的Dirac点。
        代表论文：
         a. Wang, Z.J. et al. Hourglass Fermions. Nature 532, 189-194 (2016).
         b. Wieder, Bradlyn, Wang, Cano, et al. Topological Dirac Insulator. Science 361, 246-251 (2018).
     
  4. 第二类Weyl费米子材料
    由于固体材料中不需要像真空宇宙那样满足洛伦兹对称性, 从而给第二类外尔费米子的存在供了可能。本人及其合作者先后预言了两类第二类外尔费米子材料WTe2, MoTe2。
        代表论文：
         a. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. Lett. 117, 056805 (2016).
         b. Soluyanov, A. A. et al. Nature 527, 495-498 (2015).
         c. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. Lett. 123, 186401 (2019).
     
  5. 本征拓扑超导体材料
    将拓扑态与超导体结合, 在 Fe(Se,Te) 高温超导体中发现非平庸的拓扑相, 预言在其表面可能出现拓扑超导, 随后被实验小组证实,开启了在铁基材料在发掘拓扑相以及可能的拓扑超导的研究热点。同时预言了本征超导体TaSe3具有非平庸的拓扑相, 其拓扑指标为 (1;110), 属于强拓扑绝缘体相，为研究潜在的拓扑超导研究提供了又一个实验平台。
        代表论文：
         a. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. B 92, 115119 (2015).
         b. Zhang, P. et al. Science 360, 182-186 (2018).
         c. Zhang, P. et al. Nature Phys. 15, 41-47 (2019).
         d. Nie, S.M. et al. Phys. Rev. B 98, 125143 (2018).
     
  6. 三维Dirac半金属材料
    将拓扑概念拓展到半金属态，先后预言两类狄拉克半金属材料, Na3Bi 和 Cd3As2 材料，随后被相关实验小组所证实。
        代表论文：
        a. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. B 85, 195320 (2012).
        b. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. B 88, 125427 (2013).
        c. Liu Z. K. et al. Science 343, 6173 (2014).
        d. Liu Z. K. et al. Nature Materials 13, 677 (2014).
     
  7. 磁性Weyl费米子材料：
    先后提出两类磁性Weyl费米材料HgCr2Se4和ZrCo2Sn系列。
        代表论文：
         a. Wang, Z.J. et al. Phys. Rev. Lett. 117, 236401(2016).
         b. Xu, G. et al. Phys. Rev. Lett. 107, 186806 (2011).

目前共发表SCI论文100余篇，其中包括Nature文章5篇，Science文章6篇，PRL，PRB等。
详细发表文章列表及单篇引用情况见：
http://www.researcherid.com/rid/O-8015-2014.

拓扑材料计算软件集 TopMat：
http://topmat.org;
https://github.com/zjwang11/.

目前的研究课题及展望：


国家自然科学基金委面上项目、人才项目，中科院人才项目、战略先导B，稳定人才项目等。

培养研究生情况：


拟每年招收博士、硕士生2-3名。欢迎博士后加入（年薪35-40w; http://tm.iphy.ac.cn/ ）。

其他联系方式：


010-81258581，MA楼427；
zjwang11@hotmail.com

 

Email：


wzj@iphy.ac.cn

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