[論文レビュー] Theoretical Discovery/Prediction: Weyl Semimetal states in the TaAs material (TaAs, NbAs, NbP, TaP) class

Shin-Ming Huang, Su‐Yang Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用数 641

ひとこと要約

本稿は、TaAs、NbAs、NbP、TaPなどの化学计量比で、逆変換対称性が破れている材料において、Weyl半金属状態の理論的予測を行う。第一原理計算を用いて、スピン極化されたWeyl円錐とトポロジカル的に保護されたフェルミアーク表面状態を同定し、これらの材料が、組成の微調整や磁気秩序を必要とせず、安定で本質的なWeylフェルミオンを有することを示している。これにより、TaAsは実在の物質系におけるトポロジカル半金属相の最初の候補として確立される。

ABSTRACT

The recent discoveries of Dirac fermions in graphene and on the surface of topological insulators have ignited worldwide interest in physics and materials science. A Weyl semimetal is an unusual crystal where electrons also behave as massless quasi-particles but interestingly they are not Dirac fermions. These massless particles, Weyl fermions, were originally considered in massless quantum electrodynamics but have not been observed as a fundamental particle in nature. A Weyl semimetal provides a condensed matter realization of Weyl fermions, leading to unique transport properties with novel device applications. Here, we THEORETICALLY identify the first Weyl semimetal in a class of stoichiometric materials (TaAs, NbAs, NbP, TaP), which break crystalline inversion symmetry, including TaAs, TaP, NbAs and NbP. Our first-principles calculation-based predictions on TaAs reveal the spin-polarized Weyl cones and Fermi arc surface states in this compound. We also observe pairs of Weyl points with the same chiral charge which project onto the same point in the surface Brillouin zone, giving rise to multiple Fermi arcs connecting to a given Weyl point. Our results show that TaAs is the first topological semimetal identified which does not depend on fine-tuning of chemical composition or magnetic order, greatly facilitating an exploration of Weyl physics in real materials. (Note added: This theoretical prediction of November 2014 (see paper in Nature Communications) was the basis for the first experimental discovery of Weyl Fermions and topological Fermi arcs in TaAs recently published in Science (2015) at http://www.sciencemag.org/content/early/2015/07/15/science.aaa9297.full.pdf)

研究の動機と目的

• 化学組成や磁気秩序を微調整せず、本質的であるWeyl半金属状態を有する化学ステキオメトリックで非磁性かつ逆変換対称性のない材料のクラスを同定すること。
• 外部の調整や磁気秩序を必要とせず、結晶固体内で安定な準粒子としてWeylフェルミオンが出現できることを示すこと。
• これらの材料にトポロジカル的に保護されたフェルミアーク表面状態が存在することを確立し、半金属における非自明なトポロジーの兆候を示すこと。
• 実物質におけるWeylフェルミオンの実験的発見とその特異な輸送現象の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• GGA関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算と、ノルム保存型擬ポテンシャルを用いる。
• スピン軌道相互作用をj依存性擬ポテンシャルを用いて含め、スピン極化されたバンド構造を捉える。
• Asのp軌道とTaのd軌道の対称性を保つWannier関数を構築し、実空間におけるタイトバインディングハミルトニアンを生成する。
• 表面状態を計算するために、Taで終端され、Asで終端される80原子層のスラブモデルを用いる。
• ブリユアンゾーンのサンプリングに(17×17×5)のkポイントメッシュを、数値積分のための1000 Ryの実空間カットオフを用いる。
• バンド構造とフェルミ面の等エネルギー断面を分析し、Weyl点の特定とそのトポロジカル性質の評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学組成や磁気秩序の微調整を必要とせず、TaAsのような化学ステキオメトリックで非磁性かつ逆変換対称性のない材料において、Weyl半金属状態が出現可能か？
• RQ2 このような材料における表面状態の性質は何か？ また、理論で予測されたトポロジカル的に保護されたフェルミアークを示すか？
• RQ3 相反するヘリシティを持つWeyl点は、表面ブリユアンゾーンのどの点に投影され、その表面状態の接続性はどのようになるか？
• RQ4 バルクバンドトポロジーが、表面における閉じたフェルミ面の輪郭を生成する役割を果たす仕組みは何か？ また、Weyl点の消失とどのように関係するか？
• RQ5 表面のアークとバルクのWeyl点の相互作用によって、等エネルギー断面に沿った電子輸送が特異な挙動を示す可能性はあるか？

主な発見

• 第一原理計算により、Weyl点の周囲で3方向の運動量において線形分散を示すスピン極化されたWeyl円錐がTaAsに存在することが確認された。
• 複数のフェルミアーク表面状態が観測され、同じヘリシティを持つWeyl点のペアが、表面ブリルアンゾーンの同じ点に投影された。
• TaAsにおけるWeyl半金属相は、化学組成や磁気秩序の調整を必要とせず、結晶の逆変換対称性の破れによって生じる本質的で安定な状態である。
• フェルミアーク表面状態が、Weyl点を接続する形で、表面のアークからバルクを通り、反対側の表面に戻り、別のアークを通じて閉じるループを形成する、新しい電子の軌道を可能にする。
• 理論的解析により、ペアで消失するWeyl点は、消失経路に応じて、非自明なトポロジカル絶縁体相または自明な絶縁体相を形成しうる。これは、底面のX̄′点付近で観測された閉じたフェルミ面に影響を与える。
• 予測された表面輸送挙動—電子が表面のアークとWeyl点を通ってループを形成して移動する—は、特異な非局所的かつキラルな輸送現象を示唆し、Weyl半金属デバイスの理論的提案と整合的である。