[論文レビュー] Type-II Topological Dirac Semimetals: Theory and Materials Prediction (VAl3 family)

Tay‐Rong Chang, Su‐Yang Xu+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、VAl₃族に属する新しいトポロジカル半金属状態—タイプ-IIトポロジカルディラクス半金属—を提案する。ここでは、チャージ±1の4つのタイプ-IIウェイルノードが統合され、強いローレンツ対称性の破れを示すディラクノードが出現する。著者らは、従来のディラク半金属とは異なった特徴的なランダウ準位スペクトルを予測し、結晶性歪みによるトポロジカル位相遷移を示し、VAl₃をローレンツ対称性が破れたディラクフェルミオンの輸送および分光実験において調整可能なプラットフォームとして確立する。

ABSTRACT

The discoveries of Dirac and Weyl semimetal states in spin-orbit compounds led to the realizations of elementary particle analogs in table-top experiments. In this paper, we propose the concept of a three-dimensional type-II Dirac fermion and identify a new topological semimetal state in the large family of transition-metal icosagenides, MA3 (M=V, Nb, Ta; A=Al, Ga, In). We show that the VAl3 family features a pair of strongly Lorentz-violating type-II Dirac nodes and that each Dirac node consists of four type-II Weyl nodes with chiral charge +/-1 via symmetry breaking. Furthermore, we predict the Landau level spectrum arising from the type-II Dirac fermions in VAl3 that is distinct from that of known Dirac semimetals. We also show a topological phase transition from a type-II Dirac semimetal to a quadratic Weyl semimetal or a topological crystalline insulator via crystalline distortions. The new type-II Dirac fermions, their novel magneto-transport response, the topological tunability and the large number of compounds make VAl3 an exciting platform to explore the wide-ranging topological phenomena associated with Lorentz-violating Dirac fermions in electrical and optical transport, spectroscopic and device-based experiments.

研究の動機と目的

• 従来のディラクおよびウェイルフェルミオンを超えた、新しいトポロジカル半金属のクラス—タイプ-IIディラクス半金属—を同定および特徴付けること。
• 遷移金属イコサゲニド MA₃（M=V, Nb, Ta; A=Al, Ga, In）における強いローレンツ対称性の破れを示すディラクノードの出現を調査すること。
• VAl₃におけるタイプ-IIディラクフェルミオンから生じる特徴的なランダウ準位スペクトルを予測し、既知のディラク半金属とは区別すること。
• 結晶性歪みの下で、タイプ-IIディラクス半金属から二次的ウェイル半金属またはトポロジカル結晶絶縁体へのトポロジカル位相遷移を調査すること。
• VAl₃を電気的・光学的およびデバイスベースの実験において、トポロジカル現象を探索する多用途なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• スピン軌道結合および時間反転対称性を組み込んだk·p有効ハミルトニアンモデルを構築し、VAl₃の低エネルギー電子構造を記述した。
• 対称性解析を用いて、VAl₃におけるディラクノードが、チャージ±1の4つのタイプ-IIウェイルノードの対称性保護された統合から生じることを示した。
• ディラク点近傍のバンド分散を記述するため、実数および複素数のパラメータ（α, β, γ, η, δ, ξ）を用いた4×4ハミルトニアン H(**k**) を構築した。
• DFT計算を実施し、バンド構造に一致するようにk·pモデルをフィッティングし、全方向における線形分散およびk_z方向におけるタイプ-IIウェイル行動を確認した。
• 交換場 M_zσ₃ の効果を解析した。これにより、二重 degenerate バンドが4つの単一 degenerate バンドに分裂し、k_xおよびk_y方向にダブルウェイル分散、k_z方向にタイプ-IIウェイル分散が顕在化した。
• パラメータの調整により結晶性歪みを模擬し、位相遷移を探索した。その結果、二次的ウェイル半金属またはトポロジカル結晶絶縁体相への遷移が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VAl₃族に三次元のタイプ-IIディラクフェルミオン状態が存在可能であり、その対称性保護されたトポロジカル特徴は何か？
• RQ2 VAl₃におけるタイプ-IIディラクフェルミオンのランダウ準位スペクトルは、従来のディラク半金属とはどのように異なるか？
• RQ3 VAl₃におけるディラクノードの起源は何か？また、チャージ±1の4つのタイプ-IIウェイルノードの統合とどのように関係しているか？
• RQ4 結晶性歪みは、タイプ-IIディラクス半金属から二次的ウェイル半金属またはトポロジカル結晶絶縁体へのトポロジカル位相遷移をどのように駆動するか？
• RQ5 ローレンツ対称性の破れは、この新しいトポロジカル状態の特徴的な電子的および輸送的性質をどのように規定するか？

主な発見

• VAl₃族は、DFTおよびk·pモデル計算の両方で確認された、強いローレンツ対称性の破れを示すタイプ-IIディラクスノードのペアを有する。
• 各ディラクノードは、チャージ±1の4つのタイプ-IIウェイルノードから成り、ウェイル点の対称性保護された統合に起因する。
• VAl₃におけるランダウ準位スペクトルは、既知のディラク半金属とは異なり、新規な磁気輸送応答を示す。
• フィッティングされたパラメータ（α₀ = -0.0274, α₅ = -0.0179, β₀ = 0.3730, β₅ = 0.1831, γ₀ = 2.0574, γ₅ = 0.8662, η = 1.6590 - i0.7754, δ = -(0.8351 + i0.0301), ξ = -(0.0048 + i0.1961)）を用いたk·pモデルは、線形分散およびディラクノード構造を再現した。
• 交換場 M_zσ₃ を適用すると、ディラクバンドが4つの単一デジェネレートバンドに分裂し、k_xおよびk_y方向にダブルウェイル分散、k_z方向にタイプ-IIウェイル分散が顕在化した。
• 結晶性歪みにより、タイプ-IIディラクス半金属から二次的ウェイル半金属またはトポロジカル結晶絶縁体へのトポロジカル位相遷移が誘発され、トポロジカル状態の調整可能性が示された。