[論文レビュー] Multi-band nodal links in triple-point materials

Patrick M. Lenggenhager, Xiaoxiong Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、三重点を持つ特定の $Π\mathcal{T}$-対称的でスピン軌道カップリングのない結晶材料に歪みを加えることで、非アーベルバンド位相から生じる多バンドノードリンクに変換可能であると提案している。研究では、Li$_2$NaN がその主な候補であると特定され、歪みとドーピングによって電子的および光学的性質を調整可能にし、モノポール電荷を有するノードリングを通じて非アーベル位相を実験的に探査するためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We study a class of topological materials which in their momentum-space band structure exhibit three-fold degeneracies known as triple points. Specifically, we investigate and classify triple points occurring along high-symmetry lines of $\mathcal{P}\mathcal{T}$-symmetric crystalline solids with negligible spin-orbit coupling. By employing the recently discovered non-Abelian band topology, we argue that a rotation-symmetry-breaking strain transforms a certain class of triple points into multi-band nodal links. Although multi-band nodal-line compositions were previously theoretically conceived, a practical condensed-matter platform for their manipulation and inspection has hitherto been missing. By reviewing the known triple-point materials in the considered symmetry class, and by performing first-principles calculations to predict new ones, we identify suitable candidates for the realization of multi-band nodal links. In particular, we find that Li$_2$NaN is an ideal compound to study this phenomenon, where the band nodes facilitate largely tunable density of states and optical conductivity with doping and strain, respectively. The multi-band linking is expected to equip the nodal rings with monopole charges, making such triple-point materials a versatile platform to probe the non-Abelian band topology.

研究の動機と目的

• スピン軌道カップリングが無視できるほど小さい $Π\mathcal{T}$-対称的結晶固体における三重点の同定と分類。
• 回転対称性を破る歪みの下で三重点が多バンドノードリンクにどのように変化するかの探求。
• 多バンドノードライン構造を実際に実現・制御可能な凝縮系物質プラットフォームの提供。
• これらのトポロジカル特徴が実験的にアクセス可能な材料、特に Li$_2$NaN を同定すること。

提案手法

• 高対称性ラインに沿った $Π\mathcal{T}$-対称系における三重点の分類のための群論的および対称性解析の適用。
• ノードリングのトポロジカル不変量およびリンク構造を記述するための非アーベルバンド位相の利用。
• 既知および新しい三重点材料における電子バンド構造を予測するための第一原理計算の実施。
• 歪みとドーピングがバンドノード位置および電子的応答関数に与える影響の分析。
• 歪み系における多バンドリンクに起因するノードリングにおけるモノポール電荷の出現をマッピング。
• 対称性保護されたバンドギャップの交差を通じて、ノード構造のトポロジカル的安定性と調整可能性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転対称性を破る歪みが、$Π\mathcal{T}$-対称系における三重点をどのように多バンドノードリンクに変換するか。
• RQ2 得られる多バンドノードリングを特徴付けるトポロジカル不変量およびリンクパターンは何か。
• RQ3 安定した三重点を有する実際の材料はどれであり、歪みによって多バンドノードリンクにチューニング可能か。
• RQ4 ドーピングと歪みが、このような系における状態密度および光学伝導度に与える影響は何か。
• RQ5 これらの材料は、非アーベルバンド位相を実験的に探査するための堅牢なプラットフォームとして機能可能か。

主な発見

• Li$_2$NaN は、安定した三重点構造とチューナブルなバンドノードを有するため、多バンドノードリンクを実現する有望な候補であると特定された。
• Li$_2$NaN における歪み工学により、バンドノードの設計を通じて状態密度および光学伝導度の顕著なチューニングが可能である。
• 歪み系における多バンドノードリンクは、モノポール電荷を有すると予測され、非アーベルトポロジカル性を示唆している。
• 第一原理計算により、検討された対称性クラスに属する既知の材料に三重点が存在することが確認された。
• 歪みによる三重点からノードリンクへの変換は、非アーベルバンド位相に起因するトポロジカル的に保護された現象である。
• 対称性を保つ摂動に対して系は安定しており、非アーベルノード構造の実験的観測が可能であると支持される。