[論文レビュー] Crystalline Weyl semimetal phase in Quantum Spin Hall systems under magnetic fields

Fernando Domínguez, Benedikt Scharf+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 86被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、面内磁場下における量子スピンホール（QSH）系において、位相的秩序と trivial な絶縁体相の間で結晶対称性を有するワイル半金属（CWSM）相が出現する、新しいトポロジカル相転移を提案している。粒子-hole 対称性および反射対称性によって保護される CWSM 相は、ワイルノードを安定に保ち、粒子-hole 対称性が破れた場合でも、Kane-Mele モデルや BHZ モデルで示されるように、非自明なトポロジカル相転移を可能にする。

ABSTRACT

We investigate an unconventional topological phase transition that occurs in quantum spin Hall (QSH) systems when applying an external in-plane magnetic field. We show that this transition between QSH and trivial insulator phases is separated by a stable topological gapless phase, which is protected by the combination of particle-hole and reflection symmetries, and thus, we dub it as crystalline Weyl semimetal. We explore the stability of this new phase when particle-hole symmetry breaking terms are present. Especially, we predict a robust unconventional topological phase transition to be visible for materials described by Kane and Mele model even if particle-hole symmetry is significantly broken.

研究の動機と目的

• 本研究の目的は、面内磁場下における QSH 系における非自明なトポロジカル相転移を理解することにある。
• 結晶対称性によって安定化されるギャップなしのトポロジカル相の出現を調査することにある。
• 粒子-hole 対称性が破れた場合のこの相の安定性を分析することを目的としている。
• この相が現実の物質や、トポエレクトリカル回路などの代替プラットフォームで観測可能かどうかを検討することにある。
• 特に Kane-Mele モデルにおいて、粒子-hole 対称性が破れた系でのトポロジカル相転移の強靭性を確立することを目的としている。

提案手法

• 著者らは、ヘキサゴナル格子およびスクエア格子上の QSH 系を記述するために、Kane-Mele モデルおよび Bernevig-Hughes-Zhang (BHZ) モデルを用いた。
• 粒子-hole 対称性および反射対称性の下で、バルクハミルトニアンを用いてトポロジカル不変量を分析した。
• 面内磁場の効果は、時間反転対称性を破るゼーマン項の導入によってモデル化された。
• 粒子-hole 対称性の破れを考慮して、質量項や第二近接結合項を加えることで、結晶的ワイル半金属相の安定性をテストした。
• ナノリブや有限ストリップにおけるエネルギースペクトルの数値計算を、バルクハミルトニアンの1次元フーリエ変換を用いて行った。
• トポエレクトリカル回路を、粒子-hole 対称性を持つ系をシミュレートし、実験的に相転移を検証するためのプラットフォームとして検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場下における QSH 系に、結晶的ワイル半金属相が出現するか。また、その相を保護する対称性は何か。
• RQ2 磁場が存在する中で、QSH 相と trivial な絶縁体相の間のトポロジカル相転移は、従来の相転移とどのように異なるか。
• RQ3 粒子-hole 対称性が破れた場合、結晶的ワイル半金属相の安定性はいかほどか。
• RQ4 Kane-Mele モデルにおいて、PHS 破れの摂動が加えられた場合、この非自明なトポロジカル相転移がどの程度強靭に保たれるか。
• RQ5 この相は実験的に観測可能か。また、トポエレクトリカル回路のような代替プラットフォームは、その検出を可能にするか。

主な発見

• 面内磁場下において、QSH 相と trivial な絶縁体相の間に、粒子-hole 対称性および反射対称性によって保護される安定な結晶的ワイル半金属相が出現する。
• この相転移は、ギャップが閉じる点が一つに限らない有限なパラメータ領域で発生するため、従来の相転移とは異なり、非自明なものである。
• 結晶的ワイル半金属相は、粒子-hole 対称性が破れても、依然として安定なワイルノードを有する。
• 粒子-hole 対称性と可換な反射対称性の両方の作用により、エッジ状態のトポロジカル保護が維持される。
• Kane-Mele モデルにおいても、粒子-hole 対称性の破れが著しくても、相転移は依然として強靭であることが示され、強いトポロジカル耐性が裏付けられた。
• 現実の物質では、CWSM 相に到達するには 10^3–10^4 T の高磁場が必要であるため、トポエレクトリカル回路が実験的代替手段として有効であると考えられる。