[論文レビュー] Prediction of Weyl semimetal, AFM topological insulator, nodal line semimetal, and Chern insulator phases in Bi2MnSe4

Sugata Chowdhury, Kevin F. Garrity+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 82被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いてストイキオメトリックな磁性材料Bi2MnSe4に多数のトポロジカル相が予測される。バルク状態の強磁性Bi2MnSe4はスピンの向きに応じてウェイル半金属またはノードライン半金属の性質を示す。一方、層状反強磁性相では、頑健な表面状態と半整数量子異常ホール効果を示す反強磁性トポロジカル絶縁体が実現される。Bi2MnSe4の薄膜は、最大58 meVのバンドギャップを示すチャーン絶縁体に転移しうる。

ABSTRACT

Three dimensional materials with strong spin-orbit coupling and magnetic interactions represent an opportunity to realize a variety of rare and potentially useful topological phases. In this work, we use first principles calculations to show that the recently synthesized material Bi2MnSe4 displays a combination of band inversion and magnetic interactions, leading to several topological phases. Bi2PbSe4, also studied, also displays band inversion and is a topological insulator. In bulk form, the ferromagnetic phase of Bi2MnSe4 is either a nodal line or Weyl semimetal, depending on the direction of the spins. When the spins are arranged in a layered antiferromagnetic configuration, the combination of time reversal plus a partial translation is a new symmetry, and the material instead becomes an antiferromagnetic topological insulator. However, the intrinsic TRS breaking at the surface of Bi2MnSe4 removes the typical Dirac cone feature, allowing the observation of the half-integer quantum anomalous Hall effect (AHC). Furthermore, we show that in thin film form, for some thicknesses, Bi2MnSe4 becomes a Chern insulator with a band gap of up to 58 meV. This combination of properties in a stoichiometric magnetic material makes Bi2MnSe4 an excellent candidate for displaying robust topological behavior.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合と磁性相互作用がBi2MnSe4に及えるトポロジカル相を探索すること。
• 強磁性と反強磁性の磁性秩序がトポロジカル分類に与える影響を調査すること。
• Bi2MnSe4が頑健なトポロジカル表面状態と量子化された輸送現象を示す条件を特定すること。
• Bi2MnSe4が薄膜において量子異常ホール効果とチャーン絶縁体の性質を観測可能なプラットフォームとしての可能性を評価すること。
• Bi2PbSe4（同構造型の化合物）と比較することで、Mnがトポロジカル相を誘起する役割を明確化すること。

提案手法

• スピン軌道相互作用を含む密度汎関数理論（DFT）を用いて、Bi2MnSe4の電子バンド構造を計算する。
• バンド反転と対称性インジケーターの分析により、異なる磁性状態におけるトポロジカル相の分類を行う。
• 反強磁性相における時間反転対称性と部分的並進対称性の組み合わせを特定するための対称性解析を実施する。
• 表面状態とスピン構造の計算により、ディラックコーンや異常ホール効果の存在を検証する。
• 厚さを変化させたBi2MnSe4薄膜のシミュレーションを行い、バンドギャップの開きとチャーン数の量子化を評価する。
• Bi2PbSe4との比較により、Mn 3d電子がトポロジカル性に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合と磁性秩序の相互作用によって、Bi2MnSe4が複数のトポロジカル相を有する可能性があるか？
• RQ2 強磁性と層状反強磁性の磁性配置が、Bi2MnSe4のトポロジカル分類にどのように影響を与えるか？
• RQ3 反強磁性相における表面状態の性質は何か？また、それらは半整数量子異常ホール効果を支えることができるか？
• RQ4 Bi2MnSe4薄膜がどのような条件下でチャーン絶縁体に転移し、最大でどの程度のバンドギャップを達成できるか？
• RQ5 Bi2MnSe4にMnが存在することで、非磁性体のBi2PbSe4と比較してトポロジカル応答がどのように異なるか？

主な発見

• 強磁性相のBi2MnSe4は、スピンの定量化軸に応じてウェイル半金属またはノードライン半金属のいずれかに分類される。
• 層状反強磁性相では、時間反転対称性と部分的格子並進の組み合わせにより、保護された表面状態を有する反強磁性トポロジカル絶縁体が実現される。
• 表面での時間反転対称性の内因的破れにより、従来のトポロジカル絶縁体に見られない半整数量子異常ホール効果が観測可能となる。
• Bi2MnSe4の薄膜は、特定の厚さで最大58 meVのバンドギャップを示し、量子化されたホール伝導度を示す安定なチャーン絶縁体相であると予測される。
• 非磁性体のBi2PbSe4もバンド反転を示し、トポロジカル絶縁体であると予測されるが、Mnの存在が追加のトポロジカル状態を可能にする。
• 化学 stoichiometry に優れ、頑健な磁性秩序を示すため、多様なトポロジカル相の実験的実現に有望な候補である。