[論文レビュー] Weyl Ferroelectric Semimetal

Li, Ronghan, Yuanfeng Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2016

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、Weyl ferroelectric 半金属として初めて実験的に合成された HgPbO₃ を提案し、酸化物材料において ferroelectricity と Weyl ノードの共存を実証した。第一原理計算を用いて、R3c ferroelectric 相が 33 μC/cm² の自発分極を示し、フェルミ準位近くに六対のヘリカル Weyl ノードを有することを示した。これにより、トポトロニクス応用のための電場で制御可能なトポロジカル状態が実現可能である。

ABSTRACT

The recent discoveries of ferroelectric metal and Weyl semimetal (WSM) have stimulated a natural question: whether these two exotic states of matter can coexist in a single material or not. These two discoveries ensure us that physically it is possible since both of them share the same necessary condition, the broken inversion symmetry. Here, by using first-principles calculations, we demonstrate that the experimentally synthesized nonmagnetic HgPbO$_3$ represents a unique example of such hybrid "\emph{Weyl ferroelectric semimetal}". Its centrosymmetric $R\bar{3}c$ phase will undergo a ferroelectric phase transition to the ferroelectric $R3c$ structure. Both phases are metallic and the ferroelectric phase owns a spontaneous polarization of 33 $μ$C/cm$^2$. Most importantly, it also harbors six pairs of chiral Weyl nodes around the Fermi level to be an oxide WSM. The structural symmetry broken phase transition induces a topological phase transition. The coexistence of ferroelectricity and Weyl nodes in HgPbO$_3$ is an ideal platform for exploring multiphase interaction and mutual control. The Weyl nodes can be tuned by external pulse electric field, which is promising for potential applications of integrated topotronic and ferroelectric devices.

研究の動機と目的

• 分極性と Weyl 半金属性が共存する材料の探索を通し、長年の課題である対称性の不一致と電子的スクリーニングの問題を克服すること。
• 分極性金属および Weyl 半金属の両方の条件を満たす材料の同定：非対称格子、強いスピン軌道結合、d 軌道の完全充填。
• HgPbO₃ における Weyl ノードが外部パルス電場によって電気的にチューニング可能であることを示し、トポロジカル状態の動的制御を可能にすること。
• HgPbO₃ を、分極性とトポロジカル秩序パラメータが結合した多機能的トポロジカル酸化物のプロトタイプとして確立すること。
• 電子構造と対称性の原則に基づいた、将来の Weyl 半金属性と分極性の併存を実現する材料の設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 構造的および電子的構造計算に、PBE 関数を用いた密度汎関数理論（DFT）と、プロジェクター付加重波（PAW）法を採用した。
• 厳密な収束基準（力 < 0.0001 eV/Å）を用いた構造最適化を行い、ハイブリッド HSE および GW 法による妥当性確認を実施した。
• Wannier 関数に基づくタイトバインディングモデルと表面グリーン関数法を用いて、Weyl ノードおよびフェルミアークのマッピングを実施した。
• 電荷密度差プロットを用いて、Weyl ノードにおける電荷再分配と双極子形成を分析し、分極性の安定性を評価した。
• (111) および (11̄2) 表面における表面状態を調査し、トポロジカルに保護されたフェルミアークの存在を確認した。
• スピン軌道結合およびバンド位相の役割が、非磁性・非対称格子を持つ R3c 相における Weyl ノードの安定化に果たす影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属的スクリーニングが典型的に顕著な分極性金属が、Weyl 半金属的状態を有し得るか？
• RQ2 HgPbO₃ における中心対称格子の R̄3c から非対称格子の R3c への構造的相転移が、トポロジカル相転移を誘発するか？
• RQ3 HgPbO₃ の Weyl ノードが外部パルス電場によって電気的にチューニング可能であり、トポロジカル状態の動的制御が可能か？
• RQ4 Weyl 半金属における弱いスクリーニングを考慮すると、局在化した Weyl キャリアが分極性を可能にするメカニズムは何か？
• RQ5 HgPbO₃ の表面状態およびフェルミアークは、バルクの Weyl ノードのトポロジカル性をどのように反映しているか？

主な発見

• HgPbO₃ は、中心対称格子の R̄3c から非対称格子の R3c 構造への分極性相転移を示し、自発分極は 33 μC/cm² であった。
• 分極性 R3c 相は、フェルミ準位近くに六対のヘリカル Weyl ノードを有しており、Weyl 半金属としての分類が確認された。
• (111) および (11̄2) 表面における表面状態計算から、相反するヘリシティを有する Weyl ノードを接続する明確に分離されたフェルミアークが観測され、トポロジカル保護が確認された。
• 電荷密度解析により、Weyl ノード状態が局在化した電荷再分配に寄与し、金属的スクリーニングにもかかわらず安定な双極子形成が可能であることが示された。
• Weyl ノードは外部パルス電場によってチューニング可能であり、将来的なトポトロニクスデバイスのためのトポロジカル状態の動的制御が可能である。
• HgPbO₃ における Weyl 半金属性と分極性の共存は、強いスピン軌道結合、非対称格子、および局在化した Weyl キャリアのダイナミクスの組み合わせによって実現された。