[論文レビュー] Prediction of Weyl semi-metallic phase in inversion-asymmetric BiSb

Sobhit Singh, Irais Valencia-Jaime+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、反転非対称なBiSbにおいて圧力誘発のワイル半金属相が予測される。この相は4.0–6.0 GPaの間で出現し、相反するヘリシティを有する12組のワイル点を有し、それにより明確に分離された電子および正孔のフェルミ面が形成され、新しいトポロジカル輸送特性を示す。

ABSTRACT

Recent experimental realization of long sought Weyl fermions in non-magnetic crystals has greatly motivated condensed matter physicists to search for materials supporting Weyl fermions. Weyl fermions appear to be very promising for future electronics, often referred as Weyltronics. By means of first-principle calculations, we report a stoichiometric crystal structure of BiSb with broken space-inversion symmetry. This structure is insulating in bulk and has non-trivial band topology. We observe a pressure driven Weyl semi-metallic phase transition in this structure. The obtained Weyl semi-metallic phase exists in the $4.0 - 6.0$ GPa pressure range. We find that total 12 pairs of Weyl points, 12 monopoles and 12 antimonopoles, exist in the Brillouin zone. The Weyl points with opposite chirality are located at different energy values yielding separate electron and hole Fermi-surfaces. This produces novel topological transport properties in this system.

研究の動機と目的

• ストイキオメトリックで磁性を持たず、反転非対称なBiSbの結晶構造が非自明なバンドトポロジを持つことを特定すること。
• 静水圧がBiSbにおけるトポロジカル相転移を誘発する役割を調査すること。
• 圧力調整された相におけるワイルフェルミオンの存在とその特徴を特定すること。
• 分離された電子および正孔のフェルミ面に起因する新たなトポロジカル輸送特性を調査すること。

提案手法

• 異なる静水圧下におけるBiSbの電子構造をモデル化するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• バンド構造およびベリー曲率の分析により、ワイル点の特定とそのトポロジカル性を評価する。
• チルン数およびウィルソンループの計算により、バルクバンド構造における非自明なトポロジを確認する。
• 運動量空間解析を用いて、ブリユアンゾーン内におけるワイル点の位置とヘリシティをマッピングする。
• フェルミ面トポロジの評価により、相反するヘリシティを有する電子および正孔のパッチを区別する。
• 構造的および電子的最適化を用いて、バンドギャップおよびワイル点形成の圧力依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反転非対称なBiSbは、常温条件下でトポロジカルに非自明なバンド構造を示すか？
• RQ2 BiSbはどの圧力範囲でワイル半金属相に転移するか？
• RQ3 ブリユアンゾーン内に存在するワイル点のペアの数はいくつで、それぞれのヘリシティは何か？
• RQ4 ワイル半金属相において、電子および正孔のフェルミ面は空間的およびエネルギー的に分離しているか？
• RQ5 非縮退フェルミ面に起因するトポロジカル輸送特性は何か？

主な発見

• 反転非対称なBiSbにおいて、4.0–6.0 GPaの圧力範囲で圧力誘発のワイル半金属相が予測される。
• 12組のワイル点が存在し、これは運動量空間内に12個のモノポールおよび12個のアンチモノポールに対応する。
• 相反するヘリシティを有するワイル点は異なるエネルギー準位に位置し、それにより分離された電子および正孔のフェルミ面が形成される。
• 非ゼロのベリー曲率およびチルン数の存在により、非自明なバンドトポロジが確認される。
• 常圧下ではバルクBiSbは絶縁体のままだが、中程度の圧力下でワイル半金属に転移する。
• フェルミ面のヘリシティ分離に起因し、新たなトポロジカル輸送現象が観測される。