[論文レビュー] Three-Dimensional Real Space Invariants, Obstructed Atomic Insulators and A New Principle for Active Catalytic Sites

Yuanfeng Xu, Luis Elcoro+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Graphene research and applications被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合を伴う1,651のシュービニコフ空間群における遮断原子絶縁体（OAIs）を分類するために三次元実空間不変量（RSIs）を導入し、物質データベースから3,383の強磁性でないOAIsおよび30の磁性OAIsを同定した。OAIsは充填異常と遮断表面状態（OSSs）を示すことが実証され、2H-MoS2表面におけるOSSsが水素発生反応における高い触媒活性を駆動することを実験的に裏付け、新しい触媒活性サイトの設計原理を確立した。

ABSTRACT

Topologically trivial insulators come in two kinds: atomic, where the Wannier charge centers (WCCs) are localized on the atoms, and obstructed atomic, where the WCCs are located away from the atoms. The latter, which can exhibit interesting surface states and possibly have much larger band gaps than the topological insulators, have so far not been classified in three-dimensional (3D) crystalline materials. In this paper, we developed the 3D real space invariants (RSIs) for the 1651 Shubnikov space groups with the spin-orbit coupling and provide the full classification of 3D obstructed atomic insulators (OAIs) by the RSIs. We then apply the theory to the entire database of materials on the Topological Quantum Chemistry website and Topological Magnetic Materials website, obtaining all the OAIs so far existing in nature. We find that, out of the 34013 paramagnetic and 296 magnetic topologically trivial insulators, there are 3383 paramagnetic and 30 magnetic OAIs. All of them present a filling anomaly under certain open-boundary conditions and exhibit obstructed surface states (OSSs). We further refine the atomic insulator concept to obtain the orbital-selected OAIs (OOAIs), where the WCC of the system is located at a Wyckoff position occupied by an atom but forms a symmetric representation that does not belong to the outer-shell electrons of the given atom. In such a way, we obtain a further 121 OOAIs. Furthermore, we analyze the catalytic properties of one of the OAIs in a "proof of principle" experiment. By using the single crystal of 2H-MoS2 as a hydrogen evolution catalyst, we directly prove that the catalytic activities arise from the surfaces with OSSs. Additional potential applications of the 3D RSIs and OAIs in, for example, electrochemistry, asymmetric catalysis, superconductivity, and Josephson diode will be discussed.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合を伴うすべての1,651のシュービニコフ空間群における三次元遮断原子絶縁体（OAIs）を実空間不変量（RSIs）で分類すること。
• 自然界に存在するすべての強磁性および磁性のトポロジカル的に自明な絶縁体の中で、充填異常と遮断表面状態（OSSs）を示すものを見つけること。
• OAIsにおける遮断表面状態（OSSs）が、ヘテログラフト触媒における高活性を示す原因であるという新しい原理を確立すること。
• Wannier中心が外殻電子から形成されない対称表現を形成する軌道選択型OAIs（OOAIs）を導入することで、原子絶縁体の概念を洗練すること。
• 2H-MoS2における触媒活性が、OSSsを有する表面に起因することを実験的に検証し、電子的トポロジーと触媒機能を結びつけること。

提案手法

• スピン軌道結合を伴うすべての1,651のシュービニコフ空間群における三次元実空間不変量（RSIs）を開発し、遮断原子絶縁体（OAIs）を分類した。
• トポロジカル量子化学（TQC）理論と対称性インジケーターを用い、トポロジカル量子化学およびトポロジカル磁性材料のウェブサイトから得た全物質データベースを分析した。
• Wannier電荷中心（WCCs）を計算し、その局在化状態をウィッコフ位置に特定することで、非自明なRSIsを用いてOAIsを同定した。
• Wannier中心位置と対称性解析から導かれるミラー指数を用いて、金属的OSSsを示すクリーブィング面を同定した。
• 原子が占める位置における外殻電子状態と一致しないWCCsの対称表現を分析することで、軌道選択型OAIs（OOAIs）を導入した。
• 高品質な単結晶2H-MoS2を用いた概念実証実験を行い、表面の電子状態（OSSs）と水素発生反応（HER）の触媒活性の相関を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合を伴うすべてのシュービニコフ空間群における三次元遮断原子絶縁体（OAIs）を、実空間不変量（RSIs）を用いて完全に分類することは可能か？
• RQ2 自然界に存在する強磁性および磁性のトポロジカル的に自明な絶縁体の中で、充填異常と遮断表面状態（OSSs）を示すものはどれか？
• RQ3 OAIsにおける遮断表面状態（OSSs）は、ヘテログラフト触媒における高活性の原因となる可能性があるか？
• RQ4 Wannier中心がその位置に存在する原子の外殻電子から形成されない対称表現を形成する場合、原子絶縁体の概念をどのように洗練できるか？
• RQ5 2H-MoS2の電子的表面状態がOSSsとして予測された場合、実験的に測定された水素発生反応（HER）活性とどの程度相関するか？

主な発見

• 34,013の強磁性でないおよび296の磁性のトポロジカル的に自明な絶縁体のうち、3,383が強磁性でないOAIs、30が磁性OAIsであり、いずれも開放境界条件下で充填異常を示した。
• 同定されたすべてのOAIsは遮断表面状態（OSSs）を示し、ミラー指数で特定された特定のクリーブィング面に金属的表面状態を示しており、特に上付きの「c」で示されるキラル表面群も含まれる。
• 追加で121の軌道選択型OAIs（OOAIs）を同定した。これらは、Wannier中心がその位置に存在する原子の外殻電子状態に一致しない対称表現を形成する。
• 概念実証実験において、OSSsを表面に有する2H-MoS2単結晶は、高い水素発生反応（HER）活性を示し、OSSsが触媒機能に直接関与することを実証した。
• 同定されたOAIsのバンドギャップは0.000 eVから3.842 eVの範囲にあり、一部の物質（例：CoAl2O4では3.842 eV）は大きなギャップを示しており、安定で高性能な触媒材料としての可能性を示している。
• 実空間不変量（RSIs）は、1,651のすべてのシュービニコフ空間群においてOAIsを正確に分類でき、三次元結晶材料における遮断原子絶縁体の完全なトポロジカルインventorieングを可能にした。