[论文解读] Catalogue of topological phonon materials

Yuanfeng Xu, Maia G. Vergniory+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本文利用拓扑量子化学（TQC）方法，首次系统性地构建了超过10,000种三维晶体材料中拓扑声子能带的综合性目录。通过分析能带表示、相容性关系及实空间不变量，作者识别出1,000余种具有强拓扑或易碎拓扑、阻塞原子能带或对称性强制能带节点的“理想”非平凡声子材料，并将其整理为一个公开可访问的拓扑声子数据库，以供未来实验探索。

ABSTRACT

Phonons play a crucial role in many properties of solid state systems, such as thermal and electrical conductivity, neutron scattering and associated effects or superconductivity. Hence, it is expected that topological phonons will also lead to rich and unconventional physics and the search of materials hosting topological phonons becomes a priority in the field. In electronic crystalline materials, a large part of the topological properties of Bloch states can be indicated by their symmetry eigenvalues in reciprocal space. This has been adapted to the high-throughput calculations of topological materials, and more than half of the stoichiometric materials on the databases are found to be topological insulators or semi-metals. Based on the existing phonon materials databases, here we have performed the first catalogue of topological phonon bands for more than ten thousand three-dimensional crystalline materials. Using topological quantum chemistry, we calculate the band representations, compatibility relations, and band topologies of each isolated set of phonon bands for the materials in the phonon databases. We have also calculated the real space invariants for all the topologically trivial bands and classified them as atomic and obstructed atomic bands. In particular, surface phonon modes (dispersion) are calculated on different cleavage planes for all the materials. Remarkably, we select more than one thousand "ideal" non-trivial phonon materials to fascinate the future experimental studies. All the data-sets obtained in the the high-throughput calculations are used to build a Topological Phonon Database.

研究动机与目标

• 系统分类大规模三维晶体材料中声子能带的拓扑性质。
• 将拓扑量子化学（TQC）方法扩展至声子体系，实现超越对称性指标的能带拓扑诊断。
• 识别并分类非平凡声子能带，包括强/易碎拓扑及阻塞原子能带。
• 在多种解理平面上计算表面声子色散关系，以预测实验特征。
• 构建一个公开可访问的拓扑声子数据库，整合能带结构、拓扑分类及表面态信息。

提出的方法

• 利用来自PhononDB@kyoto-u和Materials Project数据库的11,507种材料的从头算动力学矩阵。
• 应用拓扑量子化学（TQC）方法，计算高对称点处的能带表示、相容性关系及拓扑不变量。
• 计算实空间不变量（RSIs），以将平凡能带分类为原子态或阻塞原子能带（OABR），以及轨道选择性阻塞原子能带（OOABR）。
• 对孤立声子能带在高对称线和面上进行高通量分析，以诊断其拓扑性质。
• 在多个解理平面上计算表面声子色散关系，以识别拓扑保护的表面模式。
• 基于非平凡拓扑、能带节点强制或阻塞能带特性，筛选出具有实验相关性的“理想”材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些三维晶体材料在对称性指标之外仍具有非平凡的拓扑声子能带？
• RQ2 如何系统性地将拓扑量子化学（TQC）方法应用于材料中声子能带拓扑的分类？
• RQ3 现有声子数据库中，有多少比例的材料表现出非平凡拓扑，包括易碎或阻塞原子能带？
• RQ4 哪些材料具有对称性强制的声子能带节点或受保护的表面模式？
• RQ5 如何通过高通量工作流识别出最有可能实现拓扑声子的实验候选材料？

主要发现

• 本研究从PhononDB@kyoto-u中识别出935种理想拓扑声子材料，从Materials Project中识别出85种，所有材料均具有非平凡拓扑，包括强/易碎能带、OABR或OOABR。
• 超过50%的化学计量比材料在费米能级被诊断为拓扑绝缘体或半金属，其中88%至少具有一个拓扑能带。
• 作者利用实空间不变量（RSIs）将所有平凡声子能带分类为原子态或阻塞原子能带（OABR），从而实现完整的拓扑诊断。
• 在多个解理平面上计算了表面声子色散关系，揭示了选定材料中存在拓扑保护的表面模式。
• 完整数据集（包括能带结构、不可约表示、拓扑分类及表面态）已整合至拓扑声子数据库，供公众访问。
• 本工作建立了一套系统性框架，利用TQC方法识别拓扑声子，将电子体系的拓扑方法成功拓展至声子系统。