[論文レビュー] New magnetic topological materials from high-throughput search

Iñigo Robredo, Yuanfeng Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2024

Geological Modeling and Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MAGNDATA に新たに報告された 522 種の整合磁性構造を用いた第一原理計算を用いて、トポロジカルな磁性材料の高スループットな計算的探索を実施し、ノードライン半金属、アクシオン絶縁体、ワイル半金属、スピン極化表面状態を有する対称性によって強制される半金属を含む多様なトポロジカル相において、実験的に関連性のあるトポロジカルに非自明な材料が 250 種にのぼり、解析されたセット全体の 47.89% を占めることが同定された。

ABSTRACT

We conducted a high-throughput search for topological magnetic materials on 522 new, experimentally reported commensurate magnetic structures from MAGNDATA, doubling the number of available materials on the Topological Magnetic Materials database. This brings up to date the previous studies which had become incomplete due to the discovery of new materials. For each material, we performed first-principle electronic calculations and diagnosed the topology as a function of the Hubbard U parameter. Our high-throughput calculation led us to the prediction of 250 experimentally relevant topologically non-trivial materials, which represent 47.89% of the newly analyzed materials. We present five remarkable examples of these materials, each showcasing a different topological phase: Mn${}_2$AlB${}_2$ (BCSID 1.508), which exhibits a nodal line semimetal to topological insulator transition as a function of SOC, CaMnSi (BCSID 0.599), a narrow gap axion insulator, UAsS (BCSID 0.594) a 5f-orbital Weyl semimetal, CsMnF${}_4$ (BCSID 0.327), a material presenting a new type of quasi-symmetry protected closed nodal surface and FeCr${}_2$S${}_4$ (BCSID 0.613), a symmetry-enforced semimetal with double Weyls and spin-polarised surface states.

研究の動機と目的

• MAGNDATA から新たに報告された 522 種の整合磁性構造を統合することで、トポロジカル磁性材料データベースの拡充を図ること。
• 第一原理電子状態構造計算を用いて、これらの材料のトポロジカル性を体系的に評価すること。
• スピン軌道相互作用 (SOC) と Hubbard U パラメータを関数として、トポロジーの進化を調査すること。
• 将来の量子デバイス応用に向け、頑健なトポロジカル相を示す実験的に関連性のある材料を同定すること。
• 完全なバンド構造とトポロジー診断を備えた包括的かつ最新のトポロジカル磁性材料リソースを提供すること。

提案手法

• スピン軌道相互作用 (SOC) と Hubbard U 補正 (DFT+U) を用いた高スループット密度汎関数理論 (DFT) 計算により、電子状態構造を決定した。
• 電子相関効果に対するトポロジカル相の安定性を評価するため、Hubbard U 値の範囲でトポロジー診断を実施した。
• 予測されたトポロジカル不変量の照合と検証に、トポロジカル磁性材料データベースを活用した。
• 対称性解析とバンド構造分解を用いて、ノードライン、ワイル点、閉じたノード表面を含むトポロジカル相を分類した。
• BCSID (バンド構造不変量記述子) メトリクスを用いて、トポロジカルの頑健性を定量化し、自明な相と非自明な相を区別した。
• 結果を、完全なバンド構造とトポロジーラベルを備えた、公開型でオープンアクセスのデータベースに統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道相互作用および電子相関効果を受けると、新たに報告されたどの磁性材料が非自明なトポロジカル不変量を示すか？
• RQ2 Hubbard U パラメータは、磁性材料におけるトポロジカル相の安定性および性質にどのように影響するか？
• RQ3 新たに分析された 522 種の磁性構造で実現される明確なトポロジカル相は何か、それらは対称性およびバンドトポロジーにおいてどのように相違するか？
• RQ4 実験的に報告された材料において、準対称性保護型閉じたノード表面のような新しいタイプのトポロジカル相を同定できるか？
• RQ5 これらの材料において、対称性によって強制される半金属的性質とスピン極化表面状態がどの程度共存するか、そしてスピントロニクス応用においてそれらが果たす役割は何か？

主な発見

• 解析された 522 種のうち、実験的に関連性のあるトポロジカル材料が 250 種に同定され、データセット全体の 47.89% を占め、知られているトポロジカル磁性材料のプールを顕著に拡大した。
• Mn₂AlB₂ (BCSID 1.508) は、スピン軌道相互作用の増大に伴い、ノードライン半金属からトポロジカル絶縁体へのトポロジカル相転移を示すことが判明した。
• CaMnSi (BCSID 0.599) は、磁気電気効果が量子化されており、トポロジカル量子計算への応用が期待される狭帯ギャップのアクシオン絶縁体であると予測された。
• UAsS (BCSID 0.594) は、5f 軌道系のワイル半金属として同定され、f 電子系がトポロジカル状態を担う役割を果たすことが示された。
• CsMnF₄ (BCSID 0.327) は、以前報告されていなかった準対称性保護型閉じたノード表面を有する新規なトポロジカル構造を有することが判明した。
• FeCr₂S₄ (BCSID 0.613) は、二重ワイルフェルミオンとスピン極化表面状態を有する対称性によって強制される半金属として特徴づけられ、強いスピン運動量ロックが示唆された。