[論文レビュー] Topological Dirac-Nodal-Sphere Semimetal

Jianfeng Wang, Yizhou Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、3次元運動量空間において、フェルミ準位周辺の2次元球面状の表面でディラックバンドが交差する、新しいトポロジカルなディラック・ノードル・スフィア（DNS）半金属相を提案する。この相は結晶対称性によって保護される。k·pモデルと群論を用いて、32個の点群における2種類の異なるDNS状態を同定し、歪み下で実現可能な候補として金属水素化物（MH₃、M=Y, Ho, Tb, Nd）とSi₃N₂を予測し、方位に依存しないドアーヘッド表面状態を示し、DNSを他のトポロジカル状態の高対称性親相として確立する。

ABSTRACT

Topological semimetals (TSMs) in which conduction and valence bands cross at zero-dimensional (0D) Dirac nodal points (DNPs) or 1D Dirac nodal lines (DNLs), in 3D momentum space, have recently drawn much attention due to their exotic electronic properties. Here we generalize the TSM state further to a higher-symmetry and higher-dimensional Dirac nodal sphere (DNS), with the band crossing points forming a 2D closed sphere around the Fermi level. Based on the k*p model, we demonstrate two possible types of such novel DNS fermionic states underlied by different crystalline symmetries, whose topologies are well defined by two different topological invariants. We identify all the possible band crossings with pairs of 1D irreducible representations to form the DNS states in 32 point groups. Importantly, we discover that metal hydrides MH3 (M= Y, Ho, Tb, Nd) and Si3N2 are ideal candidates to realize these two types of DNS states under certain strains. Furthermore, we show that the DNS semimetal is characterized by drumhead surface states independent of surface orientations, which are distinctly different from the DNP or DNL semimetals. As a high-symmetry-required state, the DNS semimetal can be regarded as the parent phase for other topological gapped and gapless states.

研究の動機と目的

• 3次元運動量空間に存在する2次元ディラックノードルスフィア（DNS）を特徴とする新しいトポロジカル半金属相の特定と分類。
• DNS状態を保護する結晶対称性の要件とトポロジカル不変量の特定。
• 既約表現を用いて、32個の格子点群にわたるすべての可能なDNS状態を体系的に同定。
• 歪み下でDNS相を実現可能な実際の材料（特にMH₃（M=Y, Ho, Tb, Nd）およびSi₃N₂）の予測。
• DNS半金属の特異な表面状態トポロジーや、従来のディラックノードルポイントまたはノードルライン半金属ととの差異の解明。

提案手法

• 候補材料におけるフェルミ準位近傍の低エネルギー電子励起を記述するため、k·p有効ハミルトニアンモデルを用いる。
• 高対称性運動量点における小群の1次元既約表現を用いて、バンド交差を群論的に分析する。
• 異なる結晶対称性に基づく2種類のDNS状態を分類するための2つの異なるトポロジカル不変量を計算する。
• 32個の点群すべてに対して対称性およびバンド構造解析を実施し、DNS状態を支持する点群を同定する。
• 第一原理計算を用いた歪み工学により、MH₃およびSi₃N₂材料におけるDNS相の安定化を実現する。
• 表面グリーン関数法を用いて表面状態をマッピングし、方位に依存しないドアーヘッド状態の存在を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元トポロジカル半金属において、2次元ディラックノードルスフィア（DNS）がどのように対称性によって強制的に出現するか。
• RQ2 異なる結晶対称性から生じる2種類のDNS状態はどのようにして生成され、それぞれのトポロジカル不変量は何か。
• RQ3 32個の点群のうち、どの点群でDNS状態が実現可能であり、それらに対応するバンド交差パターンは何か。
• RQ4 どの現実の材料がDNS相を担持可能であり、外部条件（例：歪み）がどのように安定化に寄与するか。
• RQ5 DNS半金属の表面状態は、ディラックノードルポイントまたはノードルライン半金属の表面状態と比べて、形状的特徴や方位依存性においてどのように異なるか。

主な発見

• 2種類の異なるディラック・ノードル・スフィア（DNS）状態が予測され、それぞれが異なる結晶対称性によって保護され、固有のトポロジカル不変量を有する。
• DNS半金属相は、32個の点群において、1次元既約表現のペアによって記述されるバンド交差を通じて実現される。
• 金属水素化物MH₃（M = Y, Ho, Tb, Nd）およびSi₃N₂は、特定の歪み条件下でDNS相を実現可能な有望な候補材料として同定された。
• DNS半金属は、表面方位に依存しないドアーヘッド表面状態を有しており、これはDNPやDNL半金属には見られない特徴的特徴である。
• DNS相は、他のトポロジカルギャップあり・なし相に発展可能な高対称性親相であると提唱される。
• トポロジカル不変量の計算と対称性解析により、DNS状態が対称性を保つ摂動に対して頑健であることが確認された。