突现(emergence)是指多体系统中由于集体相互作用而导致的一系列性质、现象和功能等。随着越来越多突现现象在非强电子关联体系中被发现,量子材料这一更宽泛的概念取代过去的强电子关联,成为凝聚态物理中的前沿范畴,主要包括高温超导、巨磁阻、莫特跃迁和拓扑绝缘体等等。量子材料所表现的奇异突现行为受量子力学效应所决定,通过外界手段操控量子力学效应可以引入量子相变从而赋予材料更多新奇的性质,这对探索新材料、发现奇异现象以及理解材料中的粒子间相互作用具有重要意义。对于近年来受到密切关注的拓扑半金属,其电子与空穴轨道呈线性能量色散关系并同时穿过费米能级,导致导带和价带在费米面附近交叉,在动量空间形成特定的节点结构,如狄拉克点(Dirac node),外尔点(Weylnode),节点线(nodal-line)或节点弧(nodal-loop)等,形成一系列具有新奇性质的拓扑半金属。由于能带交叉发生在费米能级附近,可以方便地通过外界压力来改变晶格体积或晶格对称性进而调控能带交叉点和费米面,因此压力已经成为调控半金属性质的有效手段之一。在本论文工作中,我们利用金刚石对顶砧技术,结合高压电输运,高压Raman光谱,高压同步辐射x射线衍射等实验方法,并辅助以第一性原理计算,重点研究了包括拓扑半金属在内的几种半金属材料在高压下的奇异量子相变行为,包括费米液体半金属1 T-TiTe2、拓扑节线半金属ZrSiSe和极大磁阻材料LaSb。本论文主要包括以下几章内容:第一章,主要介绍量子材料的研究现状,尤其介绍了拓扑半金属和超导体等量子材料在高压方面的研究进展与意义。第二章,主要介绍金刚石对顶砧高压技术和本论文工作所涉及的高压实验方法,主要包括电输运、Raman光谱以及x射线衍射等。另外,还简要介绍了此类实验常用的单晶生长方法,包括化学气相输运和熔剂热法。第三章,主要介绍费米液体半金属1 T-TiTe2在高压下的拓扑相变行为。此工作利用化学气相输运的方法制备了 1 T-TiTe2单晶,并进行了室温高压Raman光谱和电阻的测量。通过对Raman位移与电阻率压力系数变化的分析,我们发现在1.7 GPa,3 GPa和8 GPa存在三个不连续奇异点,分别对应了相Ⅰ,相Ⅱ,相Ⅲ和相Ⅳ四个相。利用密度泛函理论(DFT),我们计算了 1T-TiTe2块体的轨道投影能带结构并分析了其在高压下的演化过程,发现体系的轨道杂化效应随压力增加而增强,而且在某些压力点时发生能带翻转。由于能带翻转通常预示着拓扑相的出现,我们因此利用奇偶性分析方法计算了体系的4个Z2拓扑不变量。结果表明,实验中发现的相Ⅱ和相Ⅲ拓扑不变量分别为(1;001)和(0;001),分别为强拓扑相和弱拓扑相,而相Ⅳ实则发生了结构相变。由此,1T-TiTe2体系在外界压力作用下由于轨道杂化的增强而经历了拓扑平庸-强拓扑-弱拓扑-结构相变的丰富的相变路径。同时,在实验中我们还发现了受宇称变化影响的Raman光谱信号的变化,本工作的发现为我们提供了一个研究拓扑物理的理想平台。第四章,主要介绍拓扑节线半金属ZrSiSe在高压下经历的丰富的电子拓扑相变与同结构相变特性。利用高压磁阻与电阻测量,Raman光谱,同步辐射x射线衍射和第一性原理,我们系统地研究了 ZrSiSe单晶在高压下的性质变化,并在3.6 GPa,6.8 GPa和11 GPa分别发现两次电子拓扑相变和一次同结构相变。在11 GPa,x射线衍射结果分析发现存在c/a极小值,而计算表明这是由于原子占位改变导致Se-Zr-Se键角出现极大值所致,因此体系发生同结构相变。另一方面,密度泛函理论计算发现压力可以明显地调控动量空间M-Γ路径和高对称点Γ附近的电子和空穴口袋,导致费米面形状发生显著变化并进一步引入电子拓扑相变。ZrSiSe中丰富的相变过程导致Raman信号和电输运性能在相应压力区间出现一系列不连续变化。本工作为研究ZrSiSe中的拓扑性质开辟了一条新途径,而其中的量子震荡、各向异性磁阻效应与高压的关系值得更深入的探索,以此来进一步理解拓扑节线的真正作用。第五章,主要介绍极大磁阻材料LaSb高压超导相的发现。LaSb单晶在10.8 GPa时出现超导转变,其超导临界温度(Tc)在13.7 GPa达到最高值为5.3K,随后呈线性降低直至我们所达到的最大压力值35 GPa,由此得到LaSb穹顶形超导温度-压力相图。结合以往报道的高压x射线衍射和第一性原理计算结果,我们发现这里观察到的超导相变压力点与LaSb正交相(B1相)过渡到四方相(PT相)的结构相变点一致,因此可知LaSb压致超导相实际上就是高压四方相,而原因是由于结构相变过程中费米能级附近电子态密度的急剧增加所致。值得关注的是,在以往的报道中,其同结构化合物LaBi在常压结构B1相时就会发生压致超导相变,这显然与本工作观察到的LaSb高压行为不同。因此,我们认为LaSb同家族材料值得更系统的研究,尤其对于高压新相的探索,这将对我们揭示超导与拓扑的关系具有重要的参考价值。第六章,主要对本论文工作进行总结,并对相关方向进行了前景展望。