[論文レビュー] Catalogue of topological phonon materials

Yuanfeng Xu, Maia G. Vergniory+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、トポロジカル量子化学（TQC）手法を用いて、10,000以上の三次元結晶性物質におけるトポロジカルなフォノンバンドの包括的カタログを初めて提示する。バンド表現、適合関係、実空間不変量を分析することで、強いまたは断片的なトポロジー、遮断された原子バンド、対称性によって強制されるバンドノードを示す1,000以上もの「理想」の非自明フォノン材料を同定し、今後の実験的探索に向けた公開可能なトポロジカルフォノンデータベースにまとめている。

ABSTRACT

Phonons play a crucial role in many properties of solid state systems, such as thermal and electrical conductivity, neutron scattering and associated effects or superconductivity. Hence, it is expected that topological phonons will also lead to rich and unconventional physics and the search of materials hosting topological phonons becomes a priority in the field. In electronic crystalline materials, a large part of the topological properties of Bloch states can be indicated by their symmetry eigenvalues in reciprocal space. This has been adapted to the high-throughput calculations of topological materials, and more than half of the stoichiometric materials on the databases are found to be topological insulators or semi-metals. Based on the existing phonon materials databases, here we have performed the first catalogue of topological phonon bands for more than ten thousand three-dimensional crystalline materials. Using topological quantum chemistry, we calculate the band representations, compatibility relations, and band topologies of each isolated set of phonon bands for the materials in the phonon databases. We have also calculated the real space invariants for all the topologically trivial bands and classified them as atomic and obstructed atomic bands. In particular, surface phonon modes (dispersion) are calculated on different cleavage planes for all the materials. Remarkably, we select more than one thousand "ideal" non-trivial phonon materials to fascinate the future experimental studies. All the data-sets obtained in the the high-throughput calculations are used to build a Topological Phonon Database.

研究の動機と目的

• 大規模な3次元結晶性物質群にわたるフォノンバンドのトポロジカル性を体系的に分類すること。
• 対称性インジケーターを超えたバンドトポロジーの診断を可能にするために、トポロジカル量子化学（TQC）をフォノン系へと拡張すること。
• 強い／断片的トポロジーおよび遮断された原子バンドを含む非自明フォノンバンドを同定・分類すること。
• さまざまな切断面における表面フォノン分散を計算し、実験的シグネチャを予測すること。
• バンド構造、トポロジー分類、表面状態を統合した公開可能なトポロジカルフォノンデータベースの構築

提案手法

• 11,507の物質について、京都大学のPhononDB@kyoto-uおよびMaterials Projectデータベースからの第一原理的動的行列を用いた。
• 高対称点におけるバンド表現、適合関係、トポロジカル不変量の計算に、トポロジカル量子化学（TQC）を適用した。
• 実空間不変量（RSIs）を計算し、自明なバンドを原子バンドまたは遮断された原子バンド（OABR）および軌道選択的OABR（OOABR）に分類した。
• 高スループットで高対称線および高対称面に沿った孤立フォノンバンドの解析を実施し、トポロジーを診断した。
• 複数の切断面における表面フォノン分散を計算し、トポロジカル的に保護された表面モードを同定した。
• 非自明なトポロジー、バンドノードの強制、遮断されたバンド特性に基づき、実験的関連性の高い「理想」材料を選定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの3次元結晶性物質が、対称性インジケーターを超えてトポロジカルに非自明なフォノンバンドを有するか？
• RQ2 トポロジカル量子化学（TQC）をどのように体系的に適用することで、物質内のフォノンバンドトポロジーを分類できるか？
• RQ3 既存のフォノンデータベースに含まれる物質のうち、断片的または遮断された原子バンドを含めて非自明なトポロジーを示す割合はどの程度か？
• RQ4 どの物質が対称性によって強制されるフォノンバンドノードまたは保護された表面モードを有するか？
• RQ5 高スループットワークフローをどのように設計すれば、トポロジカルフォノンの実験的実現に最も適した候補を同定できるか？

主な発見

• PhononDB@kyoto-uから935、Materials Projectから85の「理想」のトポロジカルフォノン材料が同定され、いずれも強い／断片的バンド、OABR、またはOOABRを含む非自明なトポロジーを有している。
• データベースに含まれるストイキオメトリック物質の50％以上が、フェルミ準位でトポロジカル絶縁体または半金属と診断されており、その88％が少なくとも1つのトポロジカルバンドを有している。
• 実空間不変量（RSIs）を用いて、すべての自明フォノンバンドを原子バンドまたは遮断された原子バンド（OABR）に分類でき、完全なトポロジカル診断が可能になった。
• 複数の切断面における表面フォノン分散の計算により、特定の物質にトポロジカル的に保護された表面モードが存在することが明らかになった。
• バンド構造、不変量、トポロジー分類、表面状態を含む全データセットが、公開アクセス可能なトポロジカルフォノンデータベースに統合された。
• 本研究は、TQCを用いたトポロジカルフォノンの同定に向けた体系的フレームワークを確立し、電子系のトポロジー手法をフォノン系へと拡張した。