[論文レビュー] Three-nodal surface phonons in solid-state materials: Theory and material realization

Chengwu Xie, Hongkuan Yuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 81被引用数 57

ひとこと要約

本稿では、二重ねじ対称性と時間反転対称性の併用による保護を受ける三ノード面（三-NS）フォノンを固体材料に提案し、同定した。第一原理計算と空間群スクリーニングを用いて、YCuS2、NiAs2、BaSi2 などの9つの現実的材料が、ブリユアンゾーン内のすべての ki = π 平面上に三-NSフォノンを有することが同定され、対称性で強制されるトポロジカルフォノンのクラスが顕著に拡張された。

ABSTRACT

This year, Liu extit{et al}. [Phys. Rev. B extbf{104}, L041405 (2021)] proposed a new class of topological phonons (TPs; i.e., one-nodal surface (NS) phonons), which provides an effective route for realizing one-NSs in phonon systems. In this work, based on first-principles calculations and symmetry analysis, we extended the types of NS phonons from one- to three-NS phonons. The existence of three-NS phonons (with NS states on the $k_{i}$ = $\pi$ ($i$ = $x$, $y$, $z$) planes in the three-dimensional Brillouin zone (BZ)) is enforced by the combination of two-fold screw symmetry and time reversal symmetry. We screened all 230 space groups (SGs) and found nine candidate groups (with the SG numbers (Nos.) 19, 61, 62, 92, 96, 198, 205, 212, and 213) hosting three-NS phonons. Interestingly, with the help of first-principles calculations, we identified $P2_{1}$2$_{1}$2$_{1}$-type YCuS$_{2}$ (SG No. 19), $Pbca$-type NiAs$_{2}$ (SG No. 61), $Pnma$-type SrZrO$_{2}$ (SG No. 62), $P4_{1}$2$_{1}$2-type LiAlO$_{2}$ (SG No. 92), $P4_{3}$2$_{1}$2-type ZnP$_{2}$ (SG No. 96), $P2_{1}$3-type NiSbSe (SG No. 198), $Pa\bar{3}$-type As$_{2}$Pt (SG No. 205), $P4_{3}$32-type BaSi$_{2}$ (SG No. 212), and $P4_{1}$32-type CsBe$_{2}$F$_{5}$ (SG No. 213) as realistic materials hosting three-NS phonons. The results of our presented study enrich the class of NS states in phonon systems and provide concrete guidance for searching for three-NS phonons and singular Weyl point phonons in realistic materials.

研究の動機と目的

• 一ノード面（one-NS）状態にとどまらない、三-NSフォノンを含むトポロジカルフォノンのクラスを拡張すること。
• フォノニック系における三-NSフォノンの実現を可能にする対称性条件を同定すること。
• 230個のすべての空間群をスクリーニングし、三-NSフォノンを有する候補空間群を同定すること。
• 第一原理計算を用いて、現実的材料における三-NSフォノンの存在を検証すること。
• 三-NSフォノンおよび関連する特異的ウェイル点フォノンの実験的検出に向けた明確なロードマップを提供すること。

提案手法

• 時間反転対称性（T）と二重ねじ回転対称性（S2i）の間の相互作用に注目したフォノンバンドの包括的対称性解析を実施した。
• ki = π 平面上で (T S2i)² = −1 が成立することにより、クライマー型簡約が生じ、二重簡約状態が生じることを示した。
• S2x、S2y、S2z 対称性の存在に基づき、230個のすべての空間群（SGs）をスクリーニングし、三-NSフォノンを支持する空間群を同定した。
• プロジェクトド・アウグメンテッド・ウェーブ（PAW）法を用いたビエナ・アビ・アイトー・シミュレーション・パッケージ（VASP）による第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 9つの選択材料（SG 19, 61, 62, 92, 96, 198, 205, 212, 213）に対して、密度汎関数摂動論（DFPT）とPHONOPYを用いてフォノン分散関数を計算した。
• ki = π 平面上でのバンド簡約と分散関数の解析を通じて、三-NS状態のトポロジカル性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの空間群が、対称性によって保護された三ノード面フォノンを支持するか？
• RQ2 すべての ki = π 平面上に三-NSフォノンを強制する対称性機構は何か？
• RQ3 三-NSフォノンは現実的で実験的に合成可能な材料に実現可能か？
• RQ4 候補材料のフォノン分散関数は、ki = π 平面上でどのように二重簡約を示すか？
• RQ5 三-NSフォノンのトポロジカル保護と複数のねじ対称性の存在との関係は何か？

主な発見

• 二重ねじ対称性と時間反転対称性の併用による保護を受けるため、SG No. 19, 61, 62, 92, 96, 198, 205, 212, 213 の9つの空間群が三-NSフォノンを有すると同定された。
• 三-NSフォノンは、すべての ki = π 平面（kx = π, ky = π, kz = π）で対称性によって強制され、線形分散を示す二重簡約表面状態を形成する。
• 第一原理計算により、P212121型 YCuS2（SG 19）、Pbca型 NiAs2（SG 61）、Pnma型 SrZrO2（SG 62）、P41212型 LiAlO2（SG 92）、P43212型 ZnP2（SG 96）、P213型 NiSbSe（SG 198）、Pa¯3型 As2Pt（SG 205）、P4332型 BaSi2（SG 212）、P4132型 CsBe2F5（SG 213）に三-NSフォノンが存在することが確認された。
• ki = π 平面上のフォノンバンドは、(T S2i)² = −1 条件によるクライマー型保護により二重簡約を示し、表面状態のトポロジカル起源を裏付けた。
• 本研究により、三-NSフォノンの候補材料の完全なリストが確立され、今後の非弾性中性子散乱またはラーマン分光法による実験的検出が可能になった。
• 本研究は、ノード点およびノードライン状態にとどまらないトポロジカルフォノンの地図を拡張し、量子振動の増幅や特異的プラズモン励起状態を示す可能性を有する、三次元トポロジカルフォノン状態の新しいクラスを導入した。