[논문 리뷰] Theoretical Discovery/Prediction: Weyl Semimetal states in the TaAs material (TaAs, NbAs, NbP, TaP) class

Shin-Ming Huang, Su‐Yang Xu외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 05.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 30인용 수 641

한 줄 요약

이 논문은 TaAs, NbAs, NbP, TaP와 같은 스토이키오메트릭이며, 반전 대칭이 깨진 물질에서 Weyl 반도체 상태의 존재를 이론적으로 예측한다. 일차 원리 계산을 통해 스핀 분류된 Weyl 원추와 위상적으로 보호된 표면 Fermi 궤적 상태를 규명하였으며, 이 물질들이 화학 조성 조정이나 자성 질서가 필요 없이 강건하고 내재된 Weyl 페르미온을 갖는다는 것을 입증하여, TaAs가 실제 물질계에서 위상적 반도체 상을 보이는 첫 번째 후보로 확립된다.

ABSTRACT

The recent discoveries of Dirac fermions in graphene and on the surface of topological insulators have ignited worldwide interest in physics and materials science. A Weyl semimetal is an unusual crystal where electrons also behave as massless quasi-particles but interestingly they are not Dirac fermions. These massless particles, Weyl fermions, were originally considered in massless quantum electrodynamics but have not been observed as a fundamental particle in nature. A Weyl semimetal provides a condensed matter realization of Weyl fermions, leading to unique transport properties with novel device applications. Here, we THEORETICALLY identify the first Weyl semimetal in a class of stoichiometric materials (TaAs, NbAs, NbP, TaP), which break crystalline inversion symmetry, including TaAs, TaP, NbAs and NbP. Our first-principles calculation-based predictions on TaAs reveal the spin-polarized Weyl cones and Fermi arc surface states in this compound. We also observe pairs of Weyl points with the same chiral charge which project onto the same point in the surface Brillouin zone, giving rise to multiple Fermi arcs connecting to a given Weyl point. Our results show that TaAs is the first topological semimetal identified which does not depend on fine-tuning of chemical composition or magnetic order, greatly facilitating an exploration of Weyl physics in real materials. (Note added: This theoretical prediction of November 2014 (see paper in Nature Communications) was the basis for the first experimental discovery of Weyl Fermions and topological Fermi arcs in TaAs recently published in Science (2015) at http://www.sciencemag.org/content/early/2015/07/15/science.aaa9297.full.pdf)

연구 동기 및 목표

• 화학 조성 조정이나 자성 질서가 필요 없이 내재된 Weyl 반도체 상태를 갖는 스토이키오메트릭이며, 비자기성, 반전 대칭이 없는 물질의 군을 규명하는 것.
• 외부 조정이나 자성 질서 없이도 결정 격자에서 강건한 준입자로서 Weyl 페르미온이 나타날 수 있음을 입증하는 것.
• 이 물질들에서 위상적으로 보호된 표면 Fermi 궤적 상태의 존재를 확립하여, 반도체 내 비자명한 위상적 성질의 징후를 제공하는 것.
• 실재 물질에서 Weyl 페르미온의 실험적 발견과 그들의 고유한 운반 현상에 대한 이론적 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• GGA 함수를 사용한 일차 원리 밀도함수이론(DFT) 계산 및 노름 보존 허위전자포텐셜.
• 스핀-오비트 결합을 j-의존성 허위전자포텐셜을 통해 포함하여 스핀 분류된 밴드 구조를 정확히 기록.
• As p 오비탈과 Ta d 오비탈에 대해 대칭을 유지하는 Wannier 함수를 구성하여 실공간 톱바운드 해밀토니안을 생성.
• 표면 상태를 계산하기 위해 Ta로 종결된 표면과 As로 종결된 표면을 가진 80원자층 슬립 모델을 사용.
• 브릴루앙 존 샘플링을 위해 (17×17×5) k-점 메쉬를 사용하고, 수치 통합을 위해 1000 Ry의 실공간 截 截치를 설정.
• 밴드 구조 및 Fermi 표면 윤곽 분석을 통해 Weyl 점과 그 위상적 성질을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaAs와 같은 스토이키오메트릭이며, 비자기성, 반전 대칭이 깨진 물질에서 화학 조성 조정이나 자성 질서 없이도 Weyl 반도체 상태가 나타날 수 있는가?
• RQ2 이러한 물질의 표면 상태는 어떤 성질을 가지며, 이론적으로 예측된 위상적으로 보호된 Fermi 궤적을 나타내는가?
• RQ3 반대되는 편극성 전하를 가진 Weyl 점들은 표면 브릴루앙 존에 어떻게 투영되며, 그로 인해 발생하는 표면 상태의 연결성은 어떠한가?
• RQ4 벌크 밴드 위상 구조는 표면에서 닫힌 Fermi 표면 윤곽을 어떻게 생성하는가? 이는 Weyl 점의 상쇄와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 표면 궤적과 벌크 Weyl 점 간의 상호작용으로 인해 일정 에너지 윤곽을 따라 전자 운반 현상이 특이한 행동을 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 일차 원리 계산은 Weyl 점 주변에서 세 방향의 운동량에서 선형 분산를 보이는 스핀 분류된 Weyl 원추가 TaAs에 존재함을 확인한다.
• 여러 개의 Fermi 궤적 표면 상태가 관측되었으며, 같은 편극성 전하를 가진 Weyl 점 쌍이 표면 브릴루앙 존의 동일한 점에 투영된다.
• TaAs의 Weyl 반도체 상은 강건하고 내재되어 있으며, 화학 조성 조정이나 자성 질서 없이도 결정 격자의 반전 대칭 붕괴에 의해 발생한다.
• Fermi 궤적 표면 상태는 Weyl 점을 연결하여 새로운 전자 궤적을 가능하게 한다: 표면 궤적에서 출발해 벌크를 통해 반대 표면으로 이동하고, 다른 궤적을 통해 다시 돌아오는 닫힌 루프를 형성한다.
• 이론적 분석은 Weyl 점 쌍의 상쇄가 경로에 따라 비위상적 또는 위상적 절연체 상으로 이어질 수 있으며, 이는 하부 표면의 X̄′ 점 근처에서 관측된 닫힌 Fermi 표면과 관련이 있다.
• 예측된 표면 운반 행동—전자들이 표면 궤적과 Weyl 점을 루프로 따라 운반되는 것—은 이론적 제안과 일치하는 특이한 비국소적이고 편극성 운반 현상을 암시한다.