[論文レビュー] Topological semimetals and topological insulators in rare earth monopnictides

Minggang Zeng, Chen Fang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 111

ひとこと要約

本研究では、ランタノイドモノアビジド化物LaX（X = N, P, As, Sb, Bi）が特徴的なトポロジカル相を示すと予測している。LaNはスピン軌道相互作用を無視した場合、鏡対称性およびスピン回転対称性によって保護される3つの交差するノードリングを有するノードリング半金属であり、スピン軌道相互作用を含めると、X点ごとに2点のノードリングがギャップ化し、ブリュアンゾーン内に6つのディラック点を持つ3次元ディラック半金属に変化する。一方、LaP、LaAs、LaSb、LaBiはX点におけるバンド反転とd軌道からp軌道への軌道的特性の変化により、3次元トポロジカル絶縁体となる。このトポロジカル遷移は格子定数の拡大に起因し、軌道混成の変化が強いZ2不変量を可能にする。これらのトポロジカル絶縁体の表面状態では、(111)面に3つのM̄点に位置する表面ディラック準位が観測可能であるが、(001)面では複数のX点におけるバンド反転とバルク連続体への投影により、孤立したディラック準位は観測できない。

ABSTRACT

We use first principles calculations to study the electronic properties of rock salt rare earth monopnictides La$X$ ($X=$N, P, As, Sb, Bi). A new type of topological band crossing termed `linked nodal rings' is found in LaN when the small spin-orbital coupling (SOC) on nitrogen orbitals is neglected. Turning on SOC gaps the nodal rings at all but two points, which remain gapless due to $C_4$-symmetry and leads to a 3D Dirac semimetal. Interestingly, unlike LaN, compounds with other elements in the pnictogen group are found to be topological insulators (TIs), as a result of band reordering due to the increased lattice constant as well as the enhanced SOC on the pnictogen atom. These TI compounds exhibit multi-valley surface Dirac cones at three $\bar{M}$-points on the $(111)$-surface.

研究の動機と目的

• 岩塩構造をとるランタノイドモノアビジド化物LaX（X = N, P, As, Sb, Bi）におけるトポロジカル電子相の特定。
• スピン軌道相互作用および格子拡大がトポロジカル相転移を引き起こす役割の特定。
• なぜトポロジカル表面状態が特定の面（例：(111)面）でのみ観測可能であるのかの説明。
• これらの材料における軌道的性質の変化とトポロジカル不変量との関係の確立。

提案手法

• GGAおよびPAW法を用いたVASPパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 特にd電子に起因する電子相関を考慮するため、DFT+Uの導入。
• ブリュアンゾーンのサンプリングに11×11×11のモンクホルスト・パックkメッシュの使用。
• トポロジカル秩序の特徴づけにミラーチーン数およびZ2不変量の計算。
• フ・ケインの公式を用いたX点におけるバンド反転とトポロジカル不変量への影響の分析。
• 表面状態を模擬し、ディラック準位の観測を目的とした、最大20層までの厚さの(111)スラブの構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 岩塩構造をとるランタノイドモノアビジド化物LaXにおいて、どのトポロジカル相が出現し、pnictogen族にわたってどのように変化するか？
• RQ2 スピン軌道相互作用が、LaNにおけるノードリング半金属相を3次元ディラック半金属にどのように変化させるか？
• RQ3 LaP、LaAs、LaSb、LaBiはX点における類似したバンド反転を示すにもかかわらず、なぜトポロジカル絶縁体としての性質を示すのか？
• RQ4 観測可能なトポロジカル表面状態の表面終着依存性を決定づける要因は何か？
• RQ5 格子拡大がどのように軌道的性質を変化させ、半金属から絶縁体へのトポロジカル相転移を誘発するのか？

主な発見

• スピン軌道相互作用を無視した場合、LaNは鏡対称性およびスピン回転対称性によって保護される3つの交差するノードリングを有するノードリング半金属である。
• スピン軌道相互作用を含めると、ノードリングはX点ごとに2点を除きギャップ化され、ブリュアンゾーン内に6つのディラック点を持つ3次元ディラック半金属に変化する。
• LaP、LaAs、LaSb、LaBiはX点におけるバンド反転および価電子帯の軌道的性質がpxからpy, pz混合に変わることにより、3次元トポロジカル絶縁体である。
• このトポロジカル遷移は、格子定数の増大に起因し、軌道混成の変化が強いZ2不変量を可能にする。
• これらのトポロジカル絶縁体における表面ディラック準位は、(111)面にのみ観測可能であり、3つのM̄点に3つのディラック準位が現れる。これはスラブ計算によって確認された。
• (001)面では、複数のX点におけるバンド反転とバルク連続体への投影により、孤立したディラック準位は観測できない。