[논문 리뷰] Weyl Ferroelectric Semimetal

Li, Ronghan, Yuanfeng Xu외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 23.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 첫 번째로 실험적으로 합성된 와이울 페로일렉트릭 반도체 금속인 HgPbO₃을 제안하며, 단일 산화물 재료에서 페로일렉트릭성과 와이울 노드의 공존을 입증한다. 최초 원리 계산을 통해 R3c 페로일렉트릭 상이 33 μC/cm²의 자발 분극을 보이며, 페미 에너지 수준 근처에 총 여섯 쌍의 편극성 와이울 노드를 포함하고 있음을 밝혀내어, 토폴로지적 상태를 전기장으로 조절 가능한 topotronic 응용을 위한 가능성을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 페로일렉트릭성과 와이울 반도체 성질이 상호 배타적인 대칭성과 전자 스크리닝의 장애로 오랫동안 해결되지 않았던 문제를 해결하고, 단일 재료에서 두 성질의 공존을 탐색한다.
• 페로일렉트릭 금속과 와이울 반도체 금속의 조건을 충족하는 재료를 특정한다: 중심이 없는 격자, 강한 스핀-오비탈 결합, 그리고 가득 찬 d 오비탈.
• HgPbO₃의 와이울 노드가 외부 펄스 전기장에 의해 전기적으로 조절될 수 있음을 입증하여, 토폴로지적 상태의 동적 제어를 가능하게 한다.
• HgPbO₃를 다기능성 토폴로지 산화물의 프로토타입으로 확립하여, 페로일렉트릭성과 토폴로지적 순서 매개변수의 결합을 가능하게 한다.
• 전자 구조와 대칭 원리에 기반한 향후 와이울 반도체 금속성과 페로일렉트릭성을 동시에 갖는 재료 설계 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 구조 및 전자 구조 계산을 위해 PBE 함수를 사용한 밀도기반함수이론(DFT)과 프rojector Augmented Wave(PAW) 방법을 적용하였다.
• 엄격한 수렴 조건(힘 < 0.0001 eV/Å)을 사용한 구조 최적화를 수행하였으며, 결과는 하이브리드 HSE 및 GW 방법으로 검증하였다.
• 와이울 노드와 페미 아크를 Wannier 함수 기반의 타이트 결합 모델 및 표면 Green의 함수 기법을 사용하여 매핑하였다.
• 전하 밀도 차이도를 통해 전하 재분포 및 와이울 노드에서의 분극 형성을 분석하여 페로일렉트릭 안정성을 평가하였다.
• (111) 및 (11̄2) 표면에서 표면 상태를 조사하여, 서로 다른 편극성을 가진 와이울 노드를 연결하는 토폴로지적으로 보호된 페미 아크의 존재를 확인하였다.
• 비자기성, 중심이 없는 R3c 상에서 와이울 노드의 안정화에 기여하는 스핀-오비탈 결합과 밴드 토폴로지의 역할을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속에서 일반적으로 나타나는 스크리닝 효과에도 불구하고, 페로일렉트릭 금속이 와이울 반도체 성질을 가질 수 있는가?
• RQ2 HgPbO₃에서 중심이 있는 R̄3c에서 중심이 없는 R3c로의 구조 전이가 토폴로지적 전이를 유도하는가?
• RQ3 HgPbO₃의 와이울 노드가 외부 펄스 전기장에 의해 전기적으로 조절될 수 있는가? 이는 토폴로지적 상태의 동적 제어를 가능하게 하는가?
• RQ4 약한 스크리닝을 보이는 와이울 반도체에서, 국소화된 와이울 캐리어가 반도체에서 페로일렉트릭성을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 HgPbO₃의 표면 상태와 페미 아크는 부피 와이울 노드의 토폴로지적 성질을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• HgPbO₃는 중심이 없는 R3c로의 페로일렉트릭 상전이를 겪으며, 자발 분극이 33 μC/cm²이다.
• 페로일렉트릭 R3c 상은 페미 에너지 수준 근처에 총 여섯 쌍의 편극성 와이울 노드를 포함하고 있어, 이는 와이울 반도체 금속로 분류됨을 확인한다.
• (111) 및 (11̄2) 표면에서의 표면 상태 계산은 반대편극성을 가진 와이울 노드를 연결하는 잘 정의된 페미 아크를 보여주며, 토폴로지적 보호를 확인한다.
• 전하 밀도 분석 결과, 와이울 노드 상태가 국소화된 전하 재분포에 기여하여, 금속적 스크리닝에도 불구하고 안정된 분극 형성을 가능하게 한다.
• 외부 펄스 전기장에 의해 와이울 노드가 조절 가능하여, 향후 topotronic 응용을 위한 토폴로지적 상태의 동적 제어가 가능하다.
• HgPbO₃에서 와이울 반도체 금속성과 페로일렉트릭성의 공존는 강한 스핀-오비탈 결합, 중심이 없는 격자, 국소화된 와이울 캐리어 동역학의 조합에 의해 가능해진다.