[論文レビュー] Giant enhancement of Berry-dipole at topological phase transitions in BiTeI

Jorge I. Facio, D. V. Efremov+4 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、巨大ラシュバ材料BiTeIにおいて、圧力駆動によるトポロジカル相転移が、物質の極性軸に沿ってベリー曲率ダイポールの巨大増幅を引き起こすことを示している。第一原理計算により、非自明な相とトポロジカルな絶縁体相の間でベリー・ダイポールの符号が反転し、臨界点でピークを示すことが明らかになった。これにより、非線形ホール電導度は2桁以上増加する。

ABSTRACT

Transitions between topologically distinct electronic states have been predicted in different classes of materials and observed in some. A major goal is the identification of measurable properties that directly expose the topological nature of such transitions. Here we focus on the giant-Rashba material bismuth tellurium iodine (BiTeI) which exhibits a pressure-driven phase transition between topological and trivial insulators in three-dimensions. We demonstrate that this transition, which proceeds through an intermediate Weyl semi-metallic state, is accompanied by a giant enhancement of the Berry curvature dipole which can be probed in transport and optoelectronic experiments. From first-principles calculations, we show that the Berrry-dipole --a vector along the polar axis of this material-- has opposite orientations in the trivial and topological insulating phases and peaks at the insulator-to-Weyl critical points, at which the nonlinear Hall conductivity can increase by over two orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 3次元材料におけるトポロジカル相転移の測定可能なシグナルを特定すること。
• 圧力下におけるBiTeIにおけるベリー曲率ダイポールの役割を調査すること。
• トポロジカル相転移と実験的に測定可能な輸送およびオプトエレクトロニクス応答との直接的な関連を確立すること。
• 自明な絶縁体とトポロジカル絶縁体の間の遷移において、中間的なワイル半金属状態の出現を探索すること。

提案手法

• 圧力変動を想定したBiTeIの第一原理電子構造計算（密度汎関数理論：DFTを用いて実施）。
• 運動量空間におけるベリー接続および波動関数の微分を用いて、ベリー曲率ダイポールを計算。
• トポロジカル相転移と関連付けるために、圧力依存の非線形ホール電導度を分析。
• ベリー・ダイポールがピークを示し、符号反転が発生する相図上の臨界点を同定。
• 対称性およびバンド構造解析を用いて、遷移中におけるワイル半金属的状態の存在を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BiTeIにおけるトポロジカル相転移に伴い、ベリー曲率ダイポールはどのように変化するか？
• RQ2 BiTeIの非自明な絶縁体相とトポロジカル絶縁体相におけるベリー・ダイポールの大きさと符号は何か？
• RQ3 ベリー・ダイポールが最大値に達するのはどの圧力点か？また、これは非線形ホール応答とどのように関係するか？
• RQ4 中間的なワイル半金属相が、ベリー・ダイポールの調節に果たす役割は何か？

主な発見

• BiTeIの非自明な絶縁体相とトポロジカル絶縁体相の間で、ベリー曲率ダイポールの符号が反転する。
• ベリー・ダイポールは、絶縁体からワイル半金属への遷移の臨界点で最大値に達し、トポロジカル応答のピークを示す。
• 臨界遷移点において、非線形ホール電導度は2桁以上増加する。
• ベリー・ダイポールの巨大増幅は、BiTeIの極性軸に局在しており、強いスピン軌道結合とラシュバスプリッティングと整合的である。