[論文レビュー] Large shift current, $π$ Zak phase and unconventional nature in Se and Te

Ruihan Zhang, Junze Deng+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、三角晶系セレンおよびテルルが、π Zak位相、非自明な実空間不変量 δ₁@3b = −1 を有する遮断原子絶縁体的挙動、および量子井戸における大きなシフト電流を特徴とする、非常な電子的・フォノン的バンド構造を示すことを示している。これらの材料は (0001) 表面に遮断表面電子的・フォノン的モードを有し、電子およびフォノン両方における二重の非常な挙動のプロトタイプとして確立されている。

ABSTRACT

Recently, unconventional materials (or obstructed atomic insulators) have attracted much attention owing to the unconventional feature of mismatch between Wannier centers and atomic positions. In this paper, we demonstrate that the trigonal selenium and tellurium host an unconventional nature in both electronic and phonon spectra. In electronic band structures, the band representation (BR) decomposition for occupied bands has to contain the essential BR of $A@3b$, and the real-space invariant is $δ_1@3b=-1$. The $π$ Zak phase suggests that the one-dimensional Se/Te chain is a chiral Su-Schrieffer-Heeger chain. The effective magnetism can be induced by $p$ states at ends. More importantly, a large shift current is obtained in Se quantum well. In addtion, in phonon spectra, three sets of phonon bands are well separated and assigned to $B@3b$, $B@3a$, and $A@3b$ BRs, respectively. Thus, the obstructed phonon states are predicted on the (0001) surface. As the prototypes of unconventional materials in both electronic and phonon spectra, our findings could create much interest in the study of obstructed surface electronic and phonon states in these novel materials.

研究の動機と目的

• 三角晶系セレンおよびテルルにおける非常な電子的・フォノン的バンド構造を調査すること。
• これらの材料が電子的およびフォノン的スペクトルの両方において遮断原子絶縁体（OAI）的挙動を示すかどうかを特定すること。
• 電荷および格子力学の両方におけるトポロジカルおよび非自明な表面状態の出現を調査すること。
• Se量子井戸におけるシフト電流応答を定量し、(0001) 表面における遮断フォノンモードを同定すること。
• SeおよびTeを、電子およびフォノン両方における二重の非常なバンド構造を有するプロトタイプ材料として確立すること。

提案手法

• 電子的およびフォノン的バンドの占有状態を分類するために、eBR/aBRワークフローを用いた対称性に基づくバンド表現（BR）分解を実施した。
• 電子的構造における遮断原子絶縁体的性質を確認するため、実空間不変量（RSI）δ₁@3b = −1 を計算した。
• c軸に沿ったZak位相を計算し、π Zak 位相を同定することで、1次元 Se/Te チェインがキラルな Su-Schrieffer-Heeger（SSH）チェインであることを示した。
• 密度汎関数理論（DFT）を Quantum ESPRESSO パッケージおよび IR2PH を用いて計算し、フォノンモードおよびその完全表現を算出した。
• TQCおよび対称性インジケータフレームワークを用いて、フォノンスペクトルのBR分解を通じて遮断フォノンバンドおよび表面モードを同定した。
• (0001) および (01̄10) 表面スラブを構築し、インギャップ金属的表面バンドを含む、表面電子的およびフォノン的状態を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三角晶系 Se および Te は、遮断されたWannier中心を有する非常な電子的バンド構造を示すか？
• RQ2 1次元 Se/Te チェインに非自明な Zak 位相が存在するか？ これはトポロジカル性質を示唆する。
• RQ3 電子とホールの空間的分離により、Se量子井戸構造で大きなシフト電流が生成可能か？
• RQ4 SeおよびTeのフォノンバンドは非常なものであり、自明な既約表現の和に分解されないバンド表現を有するか？
• RQ5 (0001) 表面にバンド表現の不一致に起因する遮断表面フォノンモードが出現するか？

主な発見

• SeおよびTeの占有電子的バンドは、本質的バンド表現 A@3b に特徴づけられ、非自明な実空間不変量 δ₁@3b = −1 を有する。
• c軸に沿ったπ Zak 位相は、1次元 Se/Te チェインがキラルな Su-Schrieffer-Heeger（SSH）チェインであることを確認し、トポロジカル性質を支持する。
• 電子とホールの異なる界面における空間的分離により、Se量子井戸で大きなシフト電流が予測され、高効率な光ギャルバニック応答が可能となる。
• フォノンバンド表現は、三つの異なる集合 B@3b、B@3a、A@3b に分解され、非常なフォノン的バンド構造を確認した。
• (0001) 表面に、電子的表面状態に類似した周波数ギャップ内に遮断表面フォノンモードが予測される。
• 磁気的配置解析から、AFM-III が最も安定で、J_b = 15.7 meV および J_a = −J_ab = 1.2 meV であることが判明し、観測されたスピン秩序と整合的である。