[논문 리뷰] Large shift current, $π$ Zak phase and unconventional nature in Se and Te

Ruihan Zhang, Junze Deng외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 08.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 삼각형 루비드 세렌 및 텔루르가 π Zak 위상, 비자명한 실공간 불변량 δ₁@3b = −1을 가진 차단된 원자绝연체 거동, 그리고 양자 밀도에서 큰 이동 전류를 나타내는 비표준 전자 및 격자 모드 구조를 보임을 보여준다. 이 물질들은 (0001) 표면에서 차단된 표면 전자 및 격자 모드를 갖추고 있으며, 전자 및 격자에서 이중 비표준 거동의 원형으로서의 특성을 지닌다.

ABSTRACT

Recently, unconventional materials (or obstructed atomic insulators) have attracted much attention owing to the unconventional feature of mismatch between Wannier centers and atomic positions. In this paper, we demonstrate that the trigonal selenium and tellurium host an unconventional nature in both electronic and phonon spectra. In electronic band structures, the band representation (BR) decomposition for occupied bands has to contain the essential BR of $A@3b$, and the real-space invariant is $δ_1@3b=-1$. The $π$ Zak phase suggests that the one-dimensional Se/Te chain is a chiral Su-Schrieffer-Heeger chain. The effective magnetism can be induced by $p$ states at ends. More importantly, a large shift current is obtained in Se quantum well. In addtion, in phonon spectra, three sets of phonon bands are well separated and assigned to $B@3b$, $B@3a$, and $A@3b$ BRs, respectively. Thus, the obstructed phonon states are predicted on the (0001) surface. As the prototypes of unconventional materials in both electronic and phonon spectra, our findings could create much interest in the study of obstructed surface electronic and phonon states in these novel materials.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 루비드 세렌 및 텔루르에서 비표준 전자 및 격자 모드 구조를 조사하기 위해.
• 이 물질들이 전자 및 격자 스펙트럼에서 모두 차단된 원자绝연체(OAI) 거동을 갖는지 확인하기 위해.
• 전하 및 격자 동역학에서 위상적 및 비자명한 표면 상태의 발생을 탐구하기 위해.
• Se 양자 밀도에서의 이동 전류 반응을 정량화하고 (0001) 표면에서의 차단된 격자 모드를 규명하기 위해.
• Se 및 Te를 전자 및 격자에서 이중 비표준 밴드 구조를 지닌 원형 물질로 설정하기 위해.

제안 방법

• 점도 기반의 밴드 표현(BR) 분해를 통해 eBR/aBR 워크플로우를 사용하여 점유된 전자 및 격자 밴드를 분류하였다.
• 실공간 불변량(RSI) δ₁@3b = −1을 계산하여 전자 구조에서의 차단된 원자绝연체 특성을 확인하였다.
• c축을 따라 Zak 위상을 계산하여 π Zak 위상이 확인되었으며, 이는 1D Se/Te 체인에서 캐리어가 있는 스위트-슈리퍼-헤저(Su-Schrieffer-Heeger, SSH) 체인임을 나타낸다.
• DFT를 사용하여 Quantum ESPRESSO 패키지와 IR2PH를 활용해 격자 모드 및 그들의 비가역 표현을 계산하였다.
• TQC 및 대칭-지표 프레임워크를 적용하여 격자 스펙트럼의 BR 분해를 통해 차단된 격자 밴드 및 표면 모드를 식별하였다.
• (0001) 및 (01̄10) 표면 슬래브를 구축하여 표면 전자 및 격자 상태를 분석하였으며, 이는 금속성 표면 밴드를 포함한 금속성 금속 밴드를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼각형 Se 및 Te는 Wannier 중심이 차단된 상태인 비표준 전자 밴드 구조를 갖는가?
• RQ2 1D Se/Te 체인에서 비자명한 Zak 위상이 존재하는가? 이는 위상적 특성을 나타내는가?
• RQ3 전자 및 정공의 공간적 분리로 인해 Se 양자 밀도에서 큰 이동 전류가 생성될 수 있는가?
• RQ4 Se 및 Te의 격자 밴드는 비표준적인가? 즉, 비트리비얼 표현의 합으로 나타나지 않는가?
• RQ5 (0001) 표면에서 밴드 표현 불일치로 인해 차단된 표면 격자 모드가 나타나는가?

주요 결과

• Se 및 Te의 점유된 전자 밴드는 본질적 밴드 표현 A@3b로 특징지어지며, 비자명한 실공간 불변량 δ₁@3b = −1을 가진다.
• c축을 따라 π Zak 위상이 확인되어 1D Se/Te 체인이 캐리어가 있는 스위트-슈리퍼-헤저(SSH) 체인임을 확인하며, 위상적 특성을 지닌다.
• 전자 및 정공의 공간적 분리로 인해 Se 양자 밀도에서 큰 이동 전류가 예측되며, 이는 고감도 광갈바닉 반응을 가능하게 한다.
• 격자 밴드 표현은 세 가지 별개의 집합 B@3b, B@3a, A@3b로 분해되어 비표준 격자 모드 구조를 확인한다.
• (0001) 표면에서 금속성 격자 모드가 금속성 금속 밴드 갭 내에 존재할 것으로 예측되며, 전자 표면 상태와 유사하다.
• 자기적 구성 분석 결과 AFM-III가 가장 안정적이며, J_b = 15.7 meV 및 J_a = −J_ab = 1.2 meV를 나타내며, 관측된 스핀 배열과 일치한다.