[論文レビュー] Kramers theorem-enforced Weyl fermions: Theory and Materials Predictions (Ag$_3$BO$_3$, TlTe$_2$O$_6$ and Ag$_2$Se related families)

Guoqing Chang, Daniel S. Sanchez+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、構造的キラリシティ、時間反転対称性、格子並進対称性によって保護される、新しい種類のワイルフェルミオン—クラスマー・ワイルフェルミオン—を提案する。従来のワイルフェルミオンとは異なり、これらのフェルミオンは時間反転対称性不変モーメンタムに現れ、対称性によって位相的に保証されるため、キラルなバルクフェルミ面や広いエネルギー領域にわたる特徴的なスピン構造といった、新しい現象を実現可能にする。

ABSTRACT

Chiral crystals are materials whose lattice structure has a well-defined handedness due to the lack of inversion, mirror, or other roto-inversion symmetries. These crystals represent a broad, important class of quantum materials; their structural chirality has been found to allow for a wide range of phenomena in condensed matter physics, including skyrmions in chiral magnets, unconventional pairing in chiral superconductors, nonlocal transport and unique magnetoelectric effects in chiral metals, as well as enantioselective photoresponse. Nevertheless, while these phenomena have been intensely investigated, the topological electronic properties of chiral crystals have still remained largely uncharacterized. While recent theoretical advances have shown that the presence of crystalline symmetries can protect novel band crossings in 2D and 3D systems, we present a new class of Weyl fermions enforced by the absence of particular crystal symmetries. These fermions are a universal topological electronic property of all nonmagnetic chiral crystals with spin-orbit coupling (SOC); they are guaranteed by lattice translation, structural chirality, and time-reversal symmetry, and unlike conventional Weyl fermions, appear at time-reversal-invariant momenta (TRIMs). We cement this finding by identifying representative chiral materials in the majority of the 65 chiral space groups in which Kramers-Weyl fermions are relevant to low-energy physics. By combining our analysis with the results of previous works, we determine that all point-like nodal degeneracies in nonmagnetic chiral crystals with relevant SOC carry nontrivial Chern numbers. We further show that, beyond the previous phenomena allowed by structural chirality, Kramers-Weyl fermions enable unusual phenomena, such as a novel electron spin texture, chiral bulk Fermi surfaces over large energy windows.

研究の動機と目的

• キラル結晶において逆転対称性、鏡対称性、回転反転対称性の欠如によって保護される、新しいトポロジカル・ワイルフェルミオンのクラス—クラスマー・ワイルフェルミオン—の同定と特性評価。
• 非磁性キラル結晶にスピン軌道結合を有する系において、時間反転対称性、構造的キラリシティ、格子並進対称性によって、これらのフェルミオンが普遍的に強制されることの確立。
• このような系における点状のノード縮退のトポロジカル性質を同定し、非自明なチーン数を有することの証明。
• 65種のキラル空間群にわたる実材料において、これらのフェルミオンを有する物質を予測し、Ag3BO3、TlTe2O6、およびAg2Se関連化合物を含む。
• クラスマー・ワイルフェルミオンによって実現可能な新しい物理現象の探求、例えばキラルなバルクフェルミ面や特徴的な電子スピン構造など。

提案手法

• スピン軌道結合を有する非磁性キラル結晶におけるワイルノードのトポロジカル保護を同定するための群論的および対称性解析の使用。
• 時間反転対称性不変モーメンタム（TRIM）におけるデゲネラシーを保証するクラスマーの定理の適用により、クラスマー・ワイルフェルミオンの出現を導出。
• TRIM近傍における有効ハミルトニアンの構築により、これらのフェルミオンの低エネルギー物理を記述し、そのトポロジカル性質を確認。
• 65種のキラル空間群を体系的に分析し、低エネルギー電子構造にクラスマー・ワイルフェルミオンが関連するものを同定。
• 対称性に基づくトポロジカル分類と、既存のノード縮退に関する結果を組み合わせ、すべての点状ノードが非自明なチーン数を有することの証明。
• 第一原理計算と対称性解析を用いた材料予測により、Ag3BO3、TlTe2O6、およびAg2Se関連系を代表例として焦点化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性キラル結晶にスピン軌道結合を有する系において、逆転対称性および鏡対称性の欠如が、どのようなトポロジカル電子状態を強制的に生じるか？
• RQ2 時間反転対称性と構造的キラリシティが、時間反転対称性不変モーメンタムに位置するワイルフェルミオンをどのように同時に保護するか？
• RQ3 このような系における点状ノード縮退に関連するトポロジカル不変量（例えばチーン数）は何か？
• RQ4 65種のキラル空間群に属する実材料の中で、低エネルギー電子構造にクラスマー・ワイルフェルミオンを有するものはどれか？
• RQ5 クラスマー・ワイルフェルミオンの存在によって、従来知られていたキラル効果を超えた、どのような新しい物理現象が生じるか？

主な発見

• クラスマー・ワイルフェルミオンは、格子並進、構造的キラリシティ、時間反転対称性によって、非磁性キラル結晶にスピン軌道結合を有する系において普遍的に保護される。
• これらのフェルミオンは時間反転対称性不変モーメンタム（TRIM）に現れ、一般のワイルフェルミオンとは異なり、通常のモーメンタムに現れる点で特徴づけられる。
• このような系におけるすべての点状ノード縮退は非自明なチーン数を有しており、そのトポロジカル的安定性が確認される。
• クラスマー・ワイルフェルミオンは、従来のワイルフェルミオンとは異なり、キラルかつ特徴的な電子スピン構造を実現可能にする。
• これらのフェルミオンのトポロジカル性により、広いエネルギー領域にわたるキラルなバルクフェルミ面が出現する。これは、以前に報告されていなかった現象である。
• Ag3BO3、TlTe2O6、およびAg2Se関連材料は、複数のキラル空間群にわたるクラスマー・ワイルフェルミオンを有する代表的候補として同定された。