团簇——构造新世界的超原子

团簇是介于微观原子、分子与宏观凝聚态之间的物质结构新层次，具有确定的原子数量和精确可控的几何与电子结构。某些特定的稳定团簇具有类似单个原子的特性，因此可将之看作“超原子”进行功能精确可控的材料组装与器件设计，从而为原子制造提供一类重要的构造单元。由于团簇结构和性质的丰富可调性，以“超原子”代替原子组装，利用团簇之间的耦合作用及多体演生效应，将为新材料的结构设计和物性调控带来无限可能。本课题组基于自主发展的团簇结构预测程序CGA及其机器学习/GPU加速版本，揭示了若干典型团簇结构和物性的尺寸演化规律，并与实验合作发现了一系列新型“超原子”团簇。进一步，基于不同维度和不同键合方式的组装策略，探索了基于超原子的材料设计与能带调控，观察到强关联电子态、狄拉克态与平带共存、一维多铁、双极磁性半导体、手性相关的自旋霍尔效应等一系列有趣的电子性质。