[論文レビュー] Single pair of type-III Weyl points half-metals: BaNiIO$_6$ as an example

Guangqian Ding, Jianhua Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、時間反転対称性を持つ運動量（TRIM）点ΓとAに、完全なスピン極化および電荷数|C| = ±2を有する単一の型-III Weyl点（SP-WP）を有する最初の実験的に実現可能な半金属BaNiIO₆を提案する。第一原理計算により、歪みおよび電子相関に対して高い頑健性を示すことが確認され、(10ύb0)表面にスピン極化された二重ヘリコイド状のフェルミアルクが観測された。これにより、スピントロニクスおよびトポロジカル量子現象のための最小トポロジー基盤が確立された。

ABSTRACT

The realization of Weyl systems with the minimum nonzero number of Weyl points (WPs) and full spin polarization remains challenging in topology physics and spintronic. In this study, for the first time, we used first-principle calculations and symmetry analysis to demonstrate that BaNiIO$_6$, a dynamically and thermodynamically stable half-metallic material, hosts fully spin-polarized single-pair WPs (SP-WPs) with a charge number ($\cal{C}$) of $\pm$2 and a type-\uppercase\expandafter{ omannumeral3} band dispersion around the Fermi level. Moreover, the fully spin-polarized SP-WPs induce double-helicoid Fermi arcs on the (10$\overline{1}$0) surface. The half-metallic state and the spin-polarized SP-WPs are robust to uniform strains (from -10\% to +8\%) and on-site Hubbard-Coulomb interactions (from 0 eV to 6 eV). When +9 % or +10 % uniform strain is applied to the BaNiIO$_6$ system, it hosts six additional type-\uppercase\expandafter{ omannumeral2} WPs with $\lvert{\cal{C}} vert=1$ in the three-dimensional Brillouin zone in addition to the two type-\uppercase\expandafter{ omannumeral3} WPs with $\lvert{\cal{C}} vert=2$. We hope that this study will motivate future research into SP-WPs half-metals.

研究の動機と目的

• Weyl点の数が最小（2個）であり、完全なスピン極化を有するWeyl半金属を実現し、既存の複数のWeyl点を有する系に起因する制限を克服すること。
• 外部の摂動（歪みや電子相関など）に対して頑健であるスピン極化Weyl点を有する半金属材料を同定すること。
• スピン軌道結合が無視できるフェロ磁性半金属が、各スピンチャンネルにおいてスピンなしに類似たWeyl物理学を実現できることを示し、新たなトポロジカル基盤を提供すること。
• 実験的検証のための具体的かつ動的・熱力学的に安定な物質（BaNiIO₆）を提供し、型-III SP-WPおよびその特異な表面状態を実証すること。

提案手法

• スピン極化およびスピン軌道結合（SOC）を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用い、電子バンド構造およびWeyl点の特性を計算した。
• 空間群（P312、No. 149）およびTRIM点（ΓおよびA）の特定を目的とした対称性解析を実施した。
• BaNiIO₆の動的安定性を確認するため、フォノン分散および第一原理分子動力学（AIMD）シミュレーションを実施した。
• 均一な歪み（-10% ～ +10%）および局所的ハッブルU（0～6 eV）を適用し、半金属性およびWeyl点の頑健性を検証した。
• 表面状態を(10ύb0)表面経路に沿っておよび等エネルギー断面を用いて計算し、スピン極化フェルミアルクを可視化した。
• スピン軌道結合が無視できるフェロ磁性半金属におけるSP-WPの探索を支援するため、先行する理論的研究（Ref. add29）を活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン極化が完全で、トポロジカル的複雑性が最小の半金属が、単一のWeyl点対を有しうるか？
• RQ2 歪みおよび電子相関に対して頑健であり、安定なフェロ磁性半金属に、|C| = ±2を有する型-III Weyl点が存在するか？
• RQ3 半金属に起因するスピン極化Weyl点が、非磁性系とは異なり、特徴的な完全スピン極化フェルミアルクを誘発するか？
• RQ4 スピンを持つフェロ磁性系において、対称性に起因する degeneracy が存在しない状況で、Weyl点の最小数（2個）を達成できるか？
• RQ5 スピン軌道結合が無視できる場合、フェロ磁性半金属のスピンアップおよびスピンダウンバンドが、Weyl物理学の文脈で独立したスピンなし系として取り扱えるか？

主な発見

• BaNiIO₆は、TRIM点ΓおよびAに、|C| = ±2を有する型-III Weyl点（WP）を1対有し、スピンアップチャンネルにおいてフェルミエネルギーに位置する。
• Weyl点は完全にスピン極化されており、スピンダウンチャンネルからの寄与はなく、100%のスピン極化および半金属的性質を示す。
• この系は、(10ύb0)表面に二重ヘリコイド状のフェルミアルクを示し、Weyl点のスピン極化性により完全にスピン極化されている。
• 半金属的状態およびSP-WPは、-10% ～ +8% の均一な歪みおよび0～6 eVの局所的ハッブルUに対して、頑健に保たれる。
• +9% および +10% の均一な歪み下では、追加で6個の型-II Weyl点（|C| = 1）が発生し、元の2個の型-III WPsを含め、合計8個のWeyl点を有するようになる。
• Weyル点のスピン極化性により、スピンアップチャンネルをスピンなし系として取り扱うことができ、先行の理論的枠組み（Ref. add29）を応用し、新たなSP-WP半金属の設計が可能になる。