[논문 리뷰] High-throughput Calculations of Antiferromagnetic Topological Materials From Magnetic Topological Quantum Chemistry

Yuanfeng Xu, Luis Elcoro외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 28.

Topological Materials and Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 자성 밴드 이론과 자성 토폴로지 양자화학(MTQC)을 사용하여 Bilbao 자성 물질 데이터베이스에 포함된 549개의 비강자성 물질에 대해 고속의 ab initio 계산을 수행한다. LDA+U를 사용한 밴드 구조 계산과 토폴로지 불변량 및 차단된 원자 한계를 분석하여 기존에 알려진 것보다 10배 많은 130개의 자성 토폴로지 물질을 규명한다.

ABSTRACT

Using magnetic band theory and topological indices obtained from Magnetic Topological Quantum Chemistry (MTQC), we have performed the first high-throughput calculations of 549 magnetic topological materials and have discovered 130 magnetic enforced semimetals and topological insulators, thereby enhancing by a factor of 10 the number of known magnetic topological materials. We use as our starting-point the Bilbao Magnetic Material Database, containing 549 non-ferromagnetic compounds whose magnetic structure and symmetry group have been painstakingly deduced from neutron-scattering experiments. This knowledge is crucial for correct {\it ab initio} calculations of the materials' band structure, which we have performed for each of those compounds - including complete phase diagrams at different values of Hubbard potential in LDA+U. Using an in-house code to be made publicly available for finding the magnetic co-representations at high symmetry points, we then feed this data into the topological machinery of MTQC to determine the topological materials, as well as the obstructed atomic limits. We then pick several candidates for showcasing new topological physics and analyze the topological trends in the materials upon varying interactions.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 결정된 자성 구조에서 자성 토폴로지 물질을 체계적으로 규명하는 것.
• 기존에 알려진 자성 토폴로지 절연체 및 반도체의 부족을 보완하기 위해 자료 기반을 확장하는 것.
• 자성 토폴로지 양자화학(MTQC)을 비강자성 물질에서 토폴로지 상을 분류하는 데 적용하는 것.
• 전자 상호작용(휴버드 U를 통한)이 자성 물질의 토폴로지 성질 조절에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 고대칭점에서 자성 공표현을 계산하기 위한 내부 개발 코드를 개발하고 공개하는 것.

제안 방법

• 실험적으로 결정된 자성 공간군을 가진 549개의 비강자성 화합물을 포함한 Bilbao 자성 물질 데이터베이스를 활용한다.
• 전자 상호작용 효과를 모델링하기 위해 다양한 휴버드 U 값을 가진 LDA+U를 사용하여 ab initio 밴드 구조 계산을 수행한다.
• 브릴루앙 존의 고대칭점에서 자성 공표현을 계산하기 위한 내부 개발 코드를 구현한다.
• 자성 토폴로지 양자화학(MTQC)의 토폴로지 분류 프레임워크를 적용하여 토폴로지 불변량과 차단된 원자 한계를 결정한다.
• 결과로 도출된 밴드 구조를 분석하여 토폴로지 절연체, 반도체, 그리고 차단된 원자 구성이 있는 물질을 식별한다.
• 전자 상호작용 변화에 따른 토폴로지 경향을 분석하기 위해 대표적인 후보 물질을 선별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 상호작용 효과를 받는 비강자성 자성 물질 중에서 어떤 물질이 토폴로지 전자 상태를 나타내는가?
• RQ2 자성 공간군 대칭성과 자성 공표현이 토폴로지 상의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 차단된 원자 한계가 자성 물질에서 토폴로지 반도체 성질을 예측하는 데 얼마나 정확한가?
• RQ4 휴버드 U 파라미터의 변화가 자성 물질의 토폴로지 분류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고속의 MTQC 기반 분석이 알려진 자성 토폴로지 물질 집합을 상당히 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 130개의 자성 토폴로지 물질을 규명하여 알려진 해당 화합물의 수를 10배로 증가시켰다.
• 분석된 549개의 물질 중 130개는 토폴로지 불변량과 차단된 원자 한계에 기반하여 토폴로지 절연체 또는 반도체로 분류되었다.
• LDA+U를 통한 전자 상호작용의 포함으로 밴드 토폴로지에 상당한 변화가 나타나, 상호작용 효과가 정확한 토폴로지 분류에 필수적임을 시사한다.
• 개발된 내부 코드는 고대칭점에서 자성 공표현을 성공적으로 계산하여 체계적인 토폴로지 분석을 가능하게 하였다.
• 일부 후보 물질은 다양한 휴버드 U 값에서도 뚜렷한 토폴로지 특성을 유지하여 조절 가능한 토폴로지 상이 존재함을 시사한다.
• 결과는 자성 대칭성과 전자 상호작용이 비강자성 물질에서 토폴로지 행동을 함께 지배함을 보여준다.