[論文レビュー] Theory of Weyl orbital semimetals and predictions of several materials classes

Kapildeb Dolui, Tanmoy Das|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合に依存せず、電子状態間の軌道縮退とテクスチャー反転からディラックおよびワイルノードが生じる新しいクラスのワイル半金属——ワイル軌道半金属——を提案する。第一原理計算を用いて、V₃S₄、NiTi₃S₆、BLi、PbO₂の4つの物質群が、最大で約2×10⁶ m/sに達する高フェルミ速度のワイルフェルミオンを有すると予測し、オルビトロニクスや量子軌道ホール効果の可能性を示唆する。

ABSTRACT

Graphene, topological insulators, and Weyl semimetals are three widely studied materials classes which possess Dirac or Weyl cones arising from either sublattice symmetry or spin-orbit coupling. In this work, we present a theory of a new class of bulk Dirac and Weyl cones, dubbed Weyl orbital semimetals, where the orbital polarization and texture inversion between two electronic states at discrete momenta lend itself into protected Dirac or Weyl cones without spin-orbit coupling. We also predict several families of Weyl orbital semimetals including V$_3$S$_4$, NiTi3S6, BLi, and PbO$_2$ via first-principle band structure calculations. We find that the highest Fermi velocity predicted in some of these materials is even larger than that of the existing Dirac materials. The synthesis of Weyl orbital semimetals will not only expand the territory of Dirac materials beyond the quintessential spin-orbit coupled systems and hexagonal lattice to the entire periodic table, but it may also open up new possibilities for orbital controlled electronics or `orbitronics'.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合に依存せず、軌道対称性によって保護されるバルクディラックおよびワイルコーンの一般的な理論を構築すること。
• 軌道極性および奇数の運動量依存性を示す軌道間遷移が、3次元格子内で安定なワイルノードを生じる条件を同定すること。
• 高フェルミ速度および最小限のスピン軌道結合を示す新しいワイル半金属候補を予測すること。
• これらの材料がオルビトロニクスや量子軌道ホール効果を支持できる可能性を検討すること。
• フォノンスペクトルおよび内圧エネルギーの計算を通じて、材料の安定性を検証すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含まない多帯タイトバインディングモデルを構築し、最近接および第二近隣の軌道間遷移を含める。
• バンド反転および奇数パリティを有する軌道間遷移を強制することで、低エネルギー有効k·pハミルトニアンを構築し、ワイルノードの形成を導く。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いてバンド構造を計算し、候補材料におけるワイルノードの存在を確認する。
• 予測された材料の格子力学的安定性を評価するため、フォノンスペクトル計算を実施する。
• 予測されたワイル軌道半金属相の熱力学的安定性を評価するため、内圧エネルギーを計算する。
• 軌道的性質およびフェルミ速度の分析を通じて、特に高いキャリア移動度を示す材料を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合に依存せず、軌道対称性およびバンド反転に依存してバルク材料にワイルノードが形成可能か？
• RQ2 どの特定の軌道および遷移配置が、3次元格子内で安定で保護されたワイルノードを生じるか？
• RQ3 周期律表中のどの元素が、このような軌道駆動型ワイル半金属相を有するか？
• RQ4 これらの材料における予測フェルミ速度はどの程度で、グラフェンや他のディラック材料と比較してどうなるか？
• RQ5 これらの材料が、オルビトロニクスや量子軌道ホール効果のような新しい電子的現象を支持できるか？

主な発見

• 著者らは、顕著なスピン軌道結合を示さない4つの新しいワイル軌道半金属のクラス（V₃S₄、NiTi₃S₆、BLi、PbO₂）を予測した。
• BLiでは、ワイルフェルミオンの速度が約2×10⁶ m/sに達し、グラフェンや既存のディラック材料を上回る。
• これらの材料におけるワイルノードは、偶数および奇数の軌道間のバンド反転に起因し、奇数運動量依存性を持つ軌道間遷移によって保護されている。
• フォノンスペクトル計算により、予測されたすべての材料が動的安定性を示しており、実験的合成の可能性を支持する。
• 内圧エネルギーの計算により熱力学的安定性が確認され、特にNiTi₃S₆とV₃S₄は-12.30 eVおよび-9.27 eVという特に好ましい値を示した。
• スピン軌道結合を含む・含まない両方のバンド構造計算により、ワイルノードにおけるスピン軌道結合の欠如が確認され、わずかなギャップの存在のみが示され、軌道対称性によるトポロジカル保護が正当化された。