[論文レビュー] Pressure-induced Topological Node-Line Semimetals in Alkaline-Earth Hexaborides XB6 (X=Ca, Sr, Ba)

Li‐Yong Gan, R. Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算により、アルカリ土族族六硼化物 XB6 (X = Ca, Sr, Ba) が中程度の外部圧力下でトポロジカル相転移を示すことが示された。スピン軌道結合（SOC）を無視した場合、これらは非自明な半導体からトポロジカルなノードライン半金属に転移する。この転移は、ブリユアンゾーンのX点におけるB px/pz と py 軌道間のバンド反転に起因し、時間反転対称性と空間反転対称性によって保護される3つの対称性保護型ノードライン環を形成する。SOCを含むと、わずかなギャップ（<4.8 meV）が開き、Z2不変量 (1;111) を持つ強いトポロジカル絶縁体となる。このため、XB6 はトポロジカルなノードライン半金属の実験的実現に有望な候補である。

ABSTRACT

Based on first-principles calculations, we reported that external pressure can induce topological phase transition in alkaline-earth hexaborides, XB6 (X=Ca, Sr, Ba). It was revealed that XB6 is transformed from trivial semiconductors to topological node-line semimetals under moderate pressures when spin-orbit coupling (SOC) is ignored. The band inversion between B px (pz) and py orbitals at X point is responsible for the formation of node-line semimetals. Three node-line rings around X point are protected by the combination of the time-reversal and spatial inversion symmetries, and the drumhead surface bands are obtained in the interiors of the projected node-line rings. When SOC is included, tiny gaps (&lt; 4.8 meV) open at the crossing lines, and the XB6 becomes strong topological insulators with Z2 indices (1;111). As the SOC-induced gap opening is negligible, our findings thus suggest ideal real systems for experimental exploration of the fundamental physics of topological node-line semimetals.

研究の動機と目的

• 外部圧力下におけるアルカリ土族族六硼化物 XB6 のトポロジカル相転移を調査すること。
• バンド反転と対称性保護が原因で、XB6 がトポロジカルなノードライン半金属を実現可能かどうかを特定すること。
• スピン軌道結合（SOC）が系のトポロジカル性質に与える影響を評価すること。
• 最小限のSOC誘発ギャップを有するトポロジカルなノードライン半金属の実験的実現に最適な材料を同定すること。

提案手法

• 異なる水圧下におけるXB6の電子バンド構造を計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• ノードライン形成のトポロジカル起源を特定するために、ブリュッヘンゾーンのX点におけるB px/pz と py 軌道間のバンド反転メカニズムが分析された。
• 時間反転対称性と空間反転対称性を用いて、ノードライン環のトポロジカル保護を証明した。
• ノードライン環の内部にドアーヘッド表面状態が存在することを確認するために、表面状態計算が実施された。
• SOCの系統的導入により、ノードライン交差部におけるギャップ開口の影響を評価した。
• Z2トポロジカル不変量を計算し、SOCを含む場合に系が強いトポロジカル絶縁体として分類されることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部圧力が、XB6 (X=Ca, Sr, Ba) を非自明な半導体からトポロジカルなノードライン半金属に相転移可能か？
• RQ2 圧力下におけるXB6のノードライン形成の起源は何か？ どの軌道がバンド反転に関与しているか？
• RQ3 時間反転対称性と空間反転対称性が、XB6におけるノードライン環をどのように保護しているか？
• RQ4 XB6におけるノードライン交差部でのSOC誘発ギャップの大きさはどの程度か？
• RQ5 SOCを含めると、系が強いトポロジカル絶縁体に転移するか？ そのZ2不変量は何か？

主な発見

• 中程度の圧力下で、XB6 (X=Ca, Sr, Ba) はスピン軌道結合を無視した場合、非自明な半導体からトポロジカルなノードライン半金属に転移する。
• ノードライン半金属相は、ブリュッヘンゾーンのX点におけるB px/pz と py 軌道間のバンド反転に起因する。
• X点の周囲に3つのノードライン環が形成され、時間反転対称性と空間反転対称性の併用によって保護される。
• 投影されたノードライン環内部にドアーヘッド表面状態が観測され、表面状態のトポロジカル性が確認された。
• SOCを含むと、ノードライン交差部にわずかなギャップ（&lt;4.8 meV）が開き、Z2不変量 (1;111) を持つ強いトポロジカル絶縁体に変化する。
• 極めて小さいSOC誘発ギャップであるため、XB6 はトポロジカルなノードライン半金属の実験的観測に最適な候補である。