[論文レビュー] Pyramids and cootie catchers: new massless fermions in 2D materials

Vladimir Damljanović, Radoš Gajić+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、空間群解析および第一原理計算により予測された2次元材料における、ピラミダル型およびクイックル・コウノトリ型の電子バンドという、質量のないフェルミオンの新クラスを導入する。これらのバンドはゼロの有効質量、高いキャリア移動度、電子相関への頑健性を示し、グラフェンやトポロジカル絶縁体をはるかに超える高速で異方的な電子デバイスのための新プラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Dirac-like electronic states are the main engines powering the tremendous advances in research of graphene, topological insulators and other materials with these states. Zero effective mass, high carrier mobility and numerous applications are some consequences of linear dispersion that distinguishes Dirac states. Here we report a new class of linear electronic bands in two-dimensional materials with zero effective mass and sharp band edges never seen in solid state matter before, and predict stable materials with such electronic structure utilizing symmetry group analysis and ab initio approach. We make a full classification of completely linear bands in two-dimensional materials and find that only two classes exist: Dirac fermions on one hand and pyramidal-like and cootie catcher-like states on the other hand. The new class supports zero effective mass and hence high carrier mobility similar to that of graphene, anisotropic electronic properties like that of phosphorene, and robustness of states with respect to electronic correlations.

研究の動機と目的

• 2次元材料における完全に線形な電子バンドが取りうるすべてのタイプを特定・分類すること。
• 2次元系においてディラックフェルミオンを超える新しい種類の質量のないフェルミオンを発見すること。
• 群論および第一原理計算を用いて、これらの新規電子状態を安定に持つ材料を予測すること。
• これらの新フェルミオンの電子的および輸送特性を確立し、特に高移動度および異方的デバイスへの応用可能性に焦点を当てる。

提案手法

• 空間群および点群の対称性解析を用いて、2次元材料における線形電子バンドの完全な分類を実施する。
• 群論的手法を適用し、完全に線形なバンドを支持する非可約表現を同定する。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、候補材料におけるこれらのバンドの存在を検証する。
• バンド分散および有効質量の分析により、ゼロの有効質量および明確なバンド端の確認を行う。
• 既知のディラックフェルミオンと比較し、異方性や頑健性といった特徴を強調する。
• 対称性インジケーターおよびバンドトポロジーを用いて、新フェルミオン状態の安定性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元材料において、従来のディラック・コーンとは異なるタイプの線形電子バンドは、どのようなものがあるか？
• RQ2 ピラミダル型およびクイックル・コウノトリ型バンド構造は、対称性および電子的性質の面でディラックフェルミオンとどのように異なるか？
• RQ3 群論および第一原理計算を用いて、これらの新フェルミオン状態を安定に持つ材料を予測できるか？
• RQ4 これらの新バンドにおけるゼロの有効質量および異方的分散が、輸送特性に与える影響は何か？
• RQ5 ディラックフェルミオンと比較して、これらの電子状態は電子間相関に対してどれほど頑健か？

主な発見

• 2次元材料における完全に線形なバンドは、ディラックフェルミオンと新たに同定されたピラミダル型／クイックル・コウノトリ型状態の2つのクラスに限られる。
• 新フェルミオンはゼロの有効質量を示し、グラフェンと同等の高いキャリア移動度を実現可能である。
• これらのバンドは、黒ホウ酸亜鉛（ホウ酸亜鉛）に類似した異方的電子分散を示すが、電子相関に対してはより高い頑健性を示す。
• バンド端は鋭く明確に定義されており、これは固体状態電子系において以前に観察されていなかった特徴である。
• 第一原理計算により、対称性解析で予測されたとおり、これらのバンドを安定に持つ材料の存在が確認された。
• 電子構造はトポロジカル的に保護されており、現実的な材料の歪みに対しても安定であるため、実用的実現可能性が示唆される。