[論文レビュー] A new platform for topological quantum phenomena : Topological Insulator states in thermoelectric Heusler-related ternary compounds

Heng-Fu Lin, L. Andrew Wray+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 16被引用数 350

ひとこと要約

本稿は、Z₂ = -1 を示す3次元トポロジカル絶縁体状態を有する最初の三元系半ヘスラー化合物として歪んだLuPtSbを同定し、半ヘスラー族が格子歪み、合金化、ヘテロ構造を介してトポロジカル秩序を実現する多様なプラットフォームであることを示している。第一原理計算により、強固なZ₂トポロジカル不変量および表面デイジクンヴェルが確認され、YAuPbは内在的に金属的で非自明な状態を示し、二元系Biを基盤とするトポロジカル量子材料の範囲を拡張している。

ABSTRACT

Topological insulators (TI) realize a novel state of quantum matter that are distinguished by topological invariants of bulk band structure rather than spontaneously broken symmetries. A number of exotic quantum phenomena have been predicted to exist in multiply-connected geometries which require an enormous amount of materials flexibility. We have extended our previous search for TI materials from binary (Bi2X3 series) to the thermoelectric ternary compounds. We discover that the distorted LuPtSb is the first ternary compound harboring a 3D topological insulator state. We also show that the half-Heusler LuPtSb-type series is a natural platform that hosts a range of candidate compounds, alloys and artificial heterostructures (quantum-wells). We also discovered several different paradigms of trivial and non-trivial topological ordering in this class, including a metallic nontrivial topological state in YAuPb. Some of these materials are grown (results will be reported separately).

研究の動機と目的

• 二元系Bi₂X₃系を超える新しいトポロジカル絶縁体材料を同定すること、特に熱電的三元ヘスラー関連化合物に焦点を当てる。
• 歪みありおよび歪みなし構造を含む、半ヘスラーMM′X系のトポロジカル位相空間を調査すること。
• 半ヘスラー系を、絶縁体的および金属的非自明位相を含む多様なトポロジカル状態を実現可能なチューナブルなシステムとして確立すること。
• 格子歪みおよび化学的チューニングが強力なZ₂トポロジカル秩序を安定化させる役割を示すこと。
• 今後の実験的トポロジカル量子現象の実現に向けた理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）に基づく線形増強平面波（LAPW）法を用いた第一原理バンド構造計算。
• スピン軌道相互作用（SOC）を、スカラー相対論的固有関数を第二変分ステップとして組み込む。
• 交換相関ポテンシャルに一般化勾配近似（GGA-PBE96）を用いる。
• [111]方向への一軸圧縮（3%圧縮）、面内への3%膨張を用いた、系の格子歪みを体系的にシミュレートし、トポロジカル位相遷移を調査する。
• YAuPbからLuPtSbへの格子を連続的に変形することで、アディアバティック連続性解析を実施し、Z₂不変量の保存を確認する。
• Z₂不変量の計算およびΓ点におけるバンド反転の分析により、トポロジカル秩序の分類を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半ヘスラーMM′X系は、二元系Biを基盤とする化合物を超えて、3次元トポロジカル絶縁体状態を有することができるか？
• RQ2 格子歪みが、元来半金属的である半ヘスラー化合物において、バルクギャップを開き、トポロジカル絶縁体状態を安定化させる役割を果たすか？
• RQ3 YをLuに置換する化学的チューニングが、これらの材料におけるトポロジカル不変量Z₂に与える影響は何か？
• RQ4 YAuPbのような内在的に金属的な化合物が、バルクギャップなしで非自明なトポロジカル秩序を有することができるか？
• RQ5 静水圧および格子圧縮の下で、トポロジカル秩序の頑健性はどの程度保たれるか？

主な発見

• 歪んだLuPtSbは、Z₂ = -1 を特徴とする、MM′X系列における最初の三元系化合物として、3次元トポロジカル絶縁体状態を有することが同定された。
• LuPtSbにおけるトポロジカル秩序は、格子歪みに対して頑健であり、Γ点におけるバンド反転がアディアバティック変形によっても持続する。
• [111]方向への3%のルービン型歪みがデゲネラシーを解き、完全なバルクギャップを形成し、完全にギャップのあるトポロジカル絶縁体状態をもたらす。
• 全格子パラメータを3%均一に圧縮すると、バンド反転が逆転し、LuPtSbはZ₂ = -1 から自明な絶縁体に変化する。
• YAuPbは、Z₂ = -1 を示す内在的に金属的で非自明なトポロジカル状態を有することが判明し、トポロジカル秩序の新たなパラダイムを示している。
• 半ヘスラー族は、絶縁体、金属、合金、人工的ヘテロ構造を含む多様なトポロジカル状態を実現可能な、極めてチューナブルなプラットフォームとして確立された。