近十年来,肇始于量子霍尔效应的拓扑量子材料,由于其特殊的电子态及其展现出来的新颖物理效应而受到广泛关注。自2004年发现二维石墨烯之后,一系列新的拓扑量子态相继被发现,包括拓扑绝缘体、拓扑Dirac/Weyl半金属、Type-Ⅱ Dirac/Weyl半金属、Dirac节线半金属等等。这些材料利用固体中丰富的电子能带结构为寻找量子场论预言的奇异粒子(如Weyl费米子)提供了绝好的平台,而利用这些奇异粒子的物理性质很可能开发出拓扑量子计算机等新一代电子器件。在目前的报道中,利用角分辨光电能谱和扫描隧道谱实验在发现新拓扑量子材料及鉴定拓扑态方面取得了丰硕的成果。然而,为了将拓扑量子材料器件化,必须从电输运角度深入研究拓扑量子材料的物性,这是因为目前电子器件仍然是基于电信号。但是,从电输运角度研究拓扑量子材料非常困难,原因是因为大部分拓扑量子材料在费米面附近同时还存在大量的常规薛定谔费米子。由于平庸的体态在输运上占主导,非平庸的拓扑态在输运上很难探测到,因此,关于输运方面的实验研究工作相对较少。为了克服这一困难,可以从两个角度出发:一是对现有材料的体系的费米面进行调控,使其费米面尽量接近Dirac/Weyl点,以增强贝利位相的效应;二是寻找新的、Dirac/Weyl费米子输运行为更显著的拓扑量子材料。为此,本论文选择三种二元拓扑量子材料体系——拓扑绝缘体Zr/HfTe5、第二类Weyl半金属Mo/WTe2和WP2作为研究对象进行研究。论文首先采用气相输运法获得了高质量的单晶体;通过精细的晶体掺杂生长及退火处理来调控材料的费米面;结合理论计算对这些晶体的结构、成分及费米面进行分析;对这些材料的电输运及磁电输运性质进行系统的研究。通过上述研究,发现了 Dirac/Weyl费米子在输运上的证据,取得了显著的进展。主要研究工作包括:1)Zr/HfTe5材料系统中,通过ZrTe5、HfTe5及系列掺杂样品的结构、成分及输运表征分析表明:Zr/HfTe5晶体的电阻-温度异常(ZrTe5/HfTe5的电阻异常峰分别在135 K和70 K左右)起源是在转变点附近空穴和电子载流子达到平衡,有效载流子浓度降低。在ZrTe5单晶体系中,高质量的单晶样品使得我们在晶体不同晶面上最大磁场仅为9 T时就观察到8阶的量子振荡。通过朗道扇图和位相提取技术发现:ZrTe5晶体b面的载流子只有平庸的零贝利位相,而c面的载流子具有π贝利位相,这说明体块的ZrTe5在2K时是弱拓扑绝缘体,而不是Dirac半金属或强拓扑绝缘体。同时,我们与其他研究组合作,利用扫描电子隧穿谱在表面台阶处观测到了清晰的边缘态和体态绝缘的态密度。扫描电子隧穿谱研究的结果与输运得出的结论一致。2)Mo/WTe2材料系统中,通过系列的XRD和拉曼谱测量,确定了Mo1xWxTe2的结构相图,这个材料系统随成分和温度变化,存在单斜相到正交相的相转变,其中正交相(Td)是拓扑非平庸相。在输运实验中发现:Td-MoTe2晶体呈现出由费米面的拓扑性以及关联效应导致的各向异性磁电阻行为,Td-WTe2晶体呈现出由电子-空穴的共振补偿以及高迁移率共同导致的巨大磁阻效应。通过精确控制晶体生长和退火工艺,成功获得了电子掺杂的拓扑相Td-WTe1.98晶体,使其费米面接近理论计算的Weyl点。在其中首次发现了由于手性反常(Chiral anomaly)导致的负磁电阻现象,且手性反常导致的负磁电阻效应沿b-轴((Cw是一个定量表征手性反常效应的特征参数,2 K下Cw≈0.051 T-2)比沿a-轴(2 K下Cw≈0.030 T-2)高出近2倍。理论上,将半经典的玻尔兹曼输运理论与第一性原理所计算的Weyl点附近的贝利曲率相结合进行分析,证明:作为第二类Weyl半金属的Td-WTe1.98晶体在准经典条件下会出现各向异性的手性反常效应,而不像极端量子条件下手性反常效应只在b-方向出现。这类材料的Weyl点对温度/晶格常数非常敏感,随温度变化,Td-WTe2会出现由于温度导致的第二类Weyl半金属到常规半金属的拓扑相变。3)WP2材料系统中,通过控制晶体生长的条件,采用气相输运法分别生长了大尺寸的α-WP2和β-WP2晶体。通过调控生长条件获得了空穴掺杂的β-WP2.11晶体。在输运实验中发现:α-WP2和β-WP2晶体均呈现出具有明显各向异性的、巨大的、非饱和的磁电阻效应,这一异常效应来源于材料体带中电子-空穴共振补偿、费米面上的开轨道及高迁移率的共同作用。我们还发现:低温下,β-WP2.11晶体有巨大的手性磁输运效应。即当外电场与磁场平行时,晶体的磁电阻表现出“负电阻效应”;同时在I-V曲线测试中,当外电场与磁场平行时,观测到反常欧姆定律的现象。这些现象在磁场与电场偏转角大于20°、温度高于30 K、外加电流大于50 mA时会逐渐消失。对态密度的理论计算表明:β-WP2.11晶体费米面已接近Weyl点。结合Chern-Simon项的宏观电动力学理论分析,表明:实验所观测到的“负电阻效应”或者反常欧姆定律的现象,起源于β-WP2.11晶体体带中Weyl点附近的轴子场(Axion field),它在相互平行的电场和磁场下引起了附加电流。即在外电场与磁场平行时,轴子场表现出所谓手性电池的作用。上述工作从输运角度揭示了拓扑量子材料新颖的物理效应,拓宽和深化了对拓扑量子材料的认识,有助于发展相关的新型电子器件。