近日，拓扑量子材料与计算物理课题组联合华中科技大学傅华华教授团队，在二维拓扑量子材料研究领域取得重要进展。研究团队理论预测，单层 In₂O 可在同一材料体系中实现Ⅱ型狄拉克/外尔费米子、巨磁阻效应、自旋霍尔效应与声子介导超导，为研究多种量子态及其相互作用提供了新的二维材料平台。

相关研究成果以“Type-II Dirac Fermions in Monolayer In₂O: Interplay of Magnetotransport, Spin Hall Effect, and Superconductivity”为题，发表在国际综合性学术期刊《Advanced Science》上。

拓扑准粒子、磁输运、自旋霍尔效应和超导是凝聚态物理与量子材料研究中的重要前沿方向。如何在同一种二维材料中同时获得这些物理性质，并揭示其内在联系，对于理解新奇量子态以及发展低功耗自旋电子器件具有重要意义。然而，同时具备拓扑能带、显著磁输运响应、自旋霍尔效应和超导电性的二维材料仍十分少见。

研究团队基于第一性原理计算、对称性分析、低能有效模型、玻尔兹曼输运理论和电子—声子耦合计算，对单层 In₂O 的电子结构、拓扑性质、磁输运行为和超导特性进行了系统研究。

研究发现，在不考虑自旋轨道耦合时，单层 In₂O 的费米能级附近存在由晶体对称性保护的Ⅱ型狄拉克点。引入自旋轨道耦合后，该狄拉克点分裂为两对拓扑电荷分别为 +1 和 −1 的Ⅱ型外尔点。沿材料（100）方向计算得到清晰而稳健的拓扑边缘态，进一步证实了该体系的非平庸拓扑性质。

在磁输运方面，单层 In₂O 表现出丰富的磁场响应。理论计算表明，该材料在低温条件下可出现负磁阻效应；在120 K时，其磁阻可达到约1300%，在特定条件下最高可达约12500%，呈现显著的巨磁阻特征。同时，材料在费米能级附近具有较大的本征自旋霍尔电导。通过施加垂直于材料平面的外部电场，还可对其自旋霍尔响应进行有效调控，使最大自旋霍尔电导由约125 Ω/cm提升至329.6 Ω/cm，显示出应用于电控自旋电子器件的潜力。

研究团队进一步揭示了单层 In₂O 的超导特性。声子谱和分子动力学计算表明，该材料具有良好的动力学和热稳定性。电子—声子耦合计算显示，其电子—声子耦合常数约为0.96，超导转变温度预计约为1.5 K。该超导态主要来源于声学声子支、特定动量路径上的声子软化以及电子能带中的范霍夫奇点。

研究还发现，强自旋轨道耦合区域与增强的电子—声子耦合在动量空间中具有明显关联，为理解该体系中拓扑电子态与超导之间的相互作用提供了新的物理图像。

该研究表明，单层 In₂O 不仅是研究二维Ⅱ型狄拉克和外尔费米子的理想候选材料，而且能够将拓扑边缘态、负磁阻、巨磁阻、自旋霍尔效应和低维超导集成于同一体系，为探索多种量子效应的协同调控以及设计新型纳米电子和自旋电子器件提供了理论基础。

课题组老师刘清波博士为论文第一作者，华中科技大学傅华华教授为通讯作者。冯德明（2023级本科生、第二作者）、赵文能、赵雨扬、熊伦以及谭兴毅等参与了该项研究。研究工作得到国家自然科学基金、十堰市量子信息与精密光学重点实验室开放基金以及国家重点研发计划等项目的支持。