近日，我院李锋钰教授与王磊研究员指导研究生在寻找二维本征拓扑超导材料领域取得新进展，相关成果以“Two-dimensional potassium borides with hidden kagome-like lattice: Topological semimetals, van Hove singularities, and superconductivity”为题发表在物理学知名期刊Physical Review B（《物理学评论B》）上。
（论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.235154）
图1：论文首页
材料中非平庸拓扑性和超导性的共存为实现拓扑超导和马约拉纳零模提供了可能。然而，对具有理想拓扑超导性的半金属材料的研究却十分有限。这是由于理想拓扑半金属在费米能量附近拥有干净的狄拉克/外尔费米子，却没有其它准粒子或体态，因此在费米能级附近的态密度很低。而如果实现更高的超导转变温度的BCS超导体，需要在费米能级附近有更高的态密度。有趣的是，笼目晶格天然具有范霍夫奇点，从而导致高的电子态密度。通过对材料中笼目晶格的工程化，可能实现具有高超导转变温度的拓扑超导材料。
图 2：四种K-B材料的晶体结构示意图
该工作中，通过第一性原理与全局结构搜索结合的方式，预测了一种新的具有拓扑态的二维超导K-B材料体系。通过调节这些材料中的K原子和B9单层的比例可以将隐式笼目晶格中的范霍夫奇点调控到费米面附近，从而提高了材料费米能级处的电子态密度，进而在该体系里同时实现拓扑性和超导性。本研究不仅揭示了B9层的轨道特性在隐式笼目型硼化钾晶格中的关键作用，而且提出了一种实现拓扑性和超导性共存的策略，从而为实现奇异物理开辟了可能性。
图3：(a) KB18、(b) KB9、(c) K2B9、(d) B9和 (e) 钾六角晶格的投影能带结构及电子态密度图。(f) 五种化合物的第一布里渊区及沿(01)方向的一维投影布里渊区示意图。
图4：(a) 单层B9的px+py轨道投影能带，(b) 单层B9的pz轨道投影能带, (c)、(d) 类石墨烯和隐式笼目晶格平带的波函数在K点的投影，(e)、(f) 使用紧束缚模型构建类石墨烯能带和笼目平带与单层B9能带的对比。(g) 单层KB9的p轨道投影能带。(h) 单层KB9的三维能带结构。(i) 单层KB9的费米面以及(01)方向的表面态投影。
图5：转移电荷(从K原子到B9单层)、费米能级处的态密度[N(EF)]、电子-声子耦合常数(λ)、超导转变温度(Tc)以及范霍夫奇点(EvHS)和费米能级(EF)的能量差随K原子数与B9单层的比值的变化曲线。
2019级博士研究生韩婷以及2021级硕士研究生王帅宇为该论文的共同第一作者，李锋钰教授和王磊研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金地区基金项目、内蒙古自然科学基金青年基金项目、内蒙古自治区草原英才项目、信誉最好的20个网投网站骏马计划、信誉最好的20个网投网站青年科技人才培育项目等项目资助。
主要作者简介：
韩婷，2019级博士研究生，主要从事二维材料超导特性的研究。以第一或共同第一作者在国际著名期刊PRB和PCCP发表SCI论文2篇。王帅宇，2021级硕士研究生，主要从事二维材料拓扑性质研究，以共同第一作者在国际著名期刊PRB和JPCC发表学术论文2篇。
李锋钰，教授，博士生导师。研究领域为低维纳米材料的模拟与设计。已在JACS、ACIE、ACS Catal.、PRB、JMCA等国际期刊发表论文70余篇，总引用3300余次，H-index为29。多个工作被选为封面论文和被知名科研媒介推送。担任J Mater Inf和Adv Powder Mater青年编委，担任JMI、Nanomaterials和Catalysts特刊客座编辑，担任Nat. Commun.、Adv. Sci.、Small、JMCA等国际期刊独立审稿人。先后入选JMCA优秀审稿人、内蒙古自治区草原英才和JMI青编贡献奖等。
王磊，研究员，博士生导师。研究领域为计算凝聚态物理，主要致力于利用第一原理计算、分子动力学等材料计算方法研究拓扑电子、声子材料和低维纳米电子信息材料（超导材料、结构相变材料和磁性材料等）。已在Science、National Science Review、Nature Communications、Physical Review B、Physical Review Materials、The Journal of Physical Chemistry C等国际期刊上发表论文20篇，被引用900余次，其中2篇论文入选ESI高被引论文。担任国际期刊Physical Review B和Physical Review Materials的审稿人。
