[논문 리뷰] Prediction of Weyl semimetal, AFM topological insulator, nodal line semimetal, and Chern insulator phases in Bi2MnSe4

Sugata Chowdhury, Kevin F. Garrity외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 05.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 82인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 밀도-functional 이론(DFT) 계산을 통해 계량비율의 자성 물질 Bi2MnSe4에서 여러 위상상태를 예측한다. 부피상 자성 Bi2MnSe4는 스핀 정렬 방향에 따라 Weyl 반도체 또는 노드 라인 반도체 행동을 나타내며, 층상 반자성 상은 강건한 표면 상태와 반정수형 양자 이상 홀 효과를 갖는 반자성 위상 절연체를 실현한다. Bi2MnSe4의 얇은 필름은 최대 58 meV의 밴드 갭을 가진 Chern 절연체가 될 수 있다.

ABSTRACT

Three dimensional materials with strong spin-orbit coupling and magnetic interactions represent an opportunity to realize a variety of rare and potentially useful topological phases. In this work, we use first principles calculations to show that the recently synthesized material Bi2MnSe4 displays a combination of band inversion and magnetic interactions, leading to several topological phases. Bi2PbSe4, also studied, also displays band inversion and is a topological insulator. In bulk form, the ferromagnetic phase of Bi2MnSe4 is either a nodal line or Weyl semimetal, depending on the direction of the spins. When the spins are arranged in a layered antiferromagnetic configuration, the combination of time reversal plus a partial translation is a new symmetry, and the material instead becomes an antiferromagnetic topological insulator. However, the intrinsic TRS breaking at the surface of Bi2MnSe4 removes the typical Dirac cone feature, allowing the observation of the half-integer quantum anomalous Hall effect (AHC). Furthermore, we show that in thin film form, for some thicknesses, Bi2MnSe4 becomes a Chern insulator with a band gap of up to 58 meV. This combination of properties in a stoichiometric magnetic material makes Bi2MnSe4 an excellent candidate for displaying robust topological behavior.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비탈 결합과 자성 상호작용이 Bi2MnSe4에서 유도하는 위상상태를 탐색하기 위해.
• 자기적 배열 방식—자성과 반자성—이 위상 분류에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• Bi2MnSe4가 강건한 위상 표면 상태와 양자화된 전도 현상을 나타내는 조건을 규명하기 위해.
• Bi2MnSe4가 얇은 필름에서 양자 이상 홀 효과와 Chern 절연체 행동을 관찰할 수 있는 잠재력을 평가하기 위해.
• Bi2MnSe4의 전자 구조를 비슷한 구조를 가진 비자성 동족체인 Bi2PbSe4와 비교하여 Mn의 기여를 분리하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오비탈 결합을 고려한 밀도-functional 이론(DFT)을 사용하여 Bi2MnSe4의 전자 밴드 구조를 계산하기 위해.
• 위상상태 분류를 위해 밴드 역전과 대칭 지표를 분석하기 위해.
• 반자성 상에서 시간역전 대칭과 부분적 격자 이동의 조합을 식별하기 위해 대칭 분석을 적용하기 위해.
• 디랙 원추와 이상 홀 효과 존재 여부를 탐색하기 위해 표면 상태와 스핀 텍스처를 계산하기 위해.
• 다양한 두께를 가진 Bi2MnSe4의 얇은 필름 구조를 시뮬레이션하여 밴드 갭 형성과 Chern 수의 양자화를 평가하기 위해.
• Mn 3d 전자의 위상 행동에 미치는 영향을 분리하기 위해 Bi2PbSe4와 결과를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2MnSe4는 스핀-오비탈 결합과 자기적 질서의 상호작용으로 인해 여러 위상상태를 가질 수 있는가?
• RQ2 자기적 배열 방식—자성 대비 층상 반자성—이 Bi2MnSe4의 위상 분류에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 반자성 상에서 표면 상태의 성격은 무엇이며, 반정수형 양자 이상 홀 효과를 지지할 수 있는가?
• RQ4 Bi2MnSe4 얇은 필름이 어떤 조건에서 Chern 절연체가 되며, 최대 달성 가능한 밴드 갭은 얼마인가?
• RQ5 Bi2MnSe4에서 Mn 존재가 비자성 Bi2PbSe4와의 위상 반응을 어떻게 다르게 만드는가?

주요 결과

• Bi2MnSe4의 자성 상은 스핀 정렬 축에 따라 Weyl 반도체 또는 노드 라인 반도체가 될 것으로 예측된다.
• 층상 반자성 상에서 시간역전 대칭과 부분적 격자 이동의 조합은 보호된 표면 상태를 갖는 반자성 위상 절연체를 형성한다.
• 표면에서 시간역전 대칭의 내재적 위반은 기존의 위상 절연체에서는 관찰되지 않는 반정수형 양자 이상 홀 효과를 가능하게 한다.
• Bi2MnSe4의 얇은 필름은 특정 두께에서 최대 58 meV의 밴드 갭을 나타내며, 이는 양자화된 홀 전도도를 갖는 안정된 Chern 절연체 상임을 시사한다.
• 비자성 동족체인 Bi2PbSe4 역시 밴드 역전을 보이며 위상 절연체로 예측되며, Mn의 기여가 추가적인 위상 상태를 가능하게 한다는 점을 강조한다.
• 물질의 계량비율 조성과 강건한 자성 질서는 다양한 위상상태의 실험적 실현 가능성을 높이는 유망한 후보로 간주된다.