[논문 리뷰] Crystalline Weyl semimetal phase in Quantum Spin Hall systems under magnetic fields

Fernando Domínguez, Benedikt Scharf외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 25.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 86인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 면내 자기장 하에서 양자 스핀 할르(QSH) 시스템에서 새로운 위상적 상전이를 제안하며, 이는 위상적이고 비위상적 절연체 상 사이에 결정학적 와일 세미메탈(CWSM) 상이 나타나는 것을 포함한다. 입자-홀 대칭성과 반사 대칭성이 보존되는 조건에서 CWSM 상은 강력한 와일 노드를 포함하며, 입자-홀 대칭성이 깨져도 비정상적인 위상적 전이를 가능하게 한다. 이는 케인-멜레(Kane-Mele) 및 BHZ 모델에서 입증되었다.

ABSTRACT

We investigate an unconventional topological phase transition that occurs in quantum spin Hall (QSH) systems when applying an external in-plane magnetic field. We show that this transition between QSH and trivial insulator phases is separated by a stable topological gapless phase, which is protected by the combination of particle-hole and reflection symmetries, and thus, we dub it as crystalline Weyl semimetal. We explore the stability of this new phase when particle-hole symmetry breaking terms are present. Especially, we predict a robust unconventional topological phase transition to be visible for materials described by Kane and Mele model even if particle-hole symmetry is significantly broken.

연구 동기 및 목표

• . 이 연구는 면내 자기장 하에서 QSH 시스템의 비정상적인 위상적 상전이를 이해하는 데 목적이 있다.
• 결정학적 대칭성이 안정화하는 무간극 위상적 상의 발생을 조사한다.
• 입자-홀 대칭성이 깨질 경우 이 상의 안정성을 분석하는 것이 목적이다.
• 이 상이 실제 물질에서 관측 가능한지, 그리고 탑오테렉트리컬 회로와 같은 대체 플랫폼에서 가능할지 탐색한다.
• 특히 케인-멜레 모델에서 입자-홀 대칭성이 깨진 시스템에서도 위상적 전이의 강건성을 확립하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• . 저자들은 헥사고날 및 스퀘어 격자에서 QSH 시스템을 기술하기 위해 케인-멜레 및 베르네비그-휴즈-장(BHZ) 모델을 사용한다.
• 입자-홀 대칭성과 반사 대칭성 하에서 부스터 해밀토니언을 이용해 위상적 불변량을 분석한다.
• 면내 자기장의 영향은 시간역행 대칭성을 깨는 제이만 항을 도입하여 모델링한다.
• 입자-홀 대칭성이 깨지는 항들, 예를 들어 질량 항과 이웃한 이웃자리 힘항을 추가하여 결정학적 와일 세미메탈 상의 안정성을 시험한다.
• 나노리본과 유한한 스트립에서 부스터 해밀토니언의 1차원 푸리에 변환을 통해 에너지 스펙트럼의 수치 계산을 수행한다.
• 탑오테렉트리컬 회로를 입자-홀 대칭 시스템을 시뮬레이션하고 위상적 전이 실험적으로 검증할 수 있는 플랫폼으로 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 면내 자기장 하에서 QSH 시스템에서 결정학적 와일 세미메탈 상이 나타나는가? 그리고 어떤 대칭성이 이를 보호하는가?
• RQ2 자기장 존재 하에서 QSH와 비위상적 절연체 상 사이의 위상적 전이가 전통적인 전이와 어떻게 다를까?
• RQ3 입자-홀 대칭성이 깨질 경우 결정학적 와일 세미메탈 상의 안정성은 어떠한가?
• RQ4 PHS 위반 외부 힘에 의해 케인-멜레 모델에서 이 비정상적인 위상적 전이가 얼마나 강건한가?
• RQ5 이 상은 실험적으로 관측 가능할 수 있으며, 탑오테렉트리컬 회로와 같은 대체 플랫폼을 통해 어떻게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• . 면내 자기장 하에서 QSH와 비위상적 절연체 상 사이에 안정적인 결정학적 와일 세미메탈 상이 나타나며, 이는 입자-홀 대칭성과 반사 대칭성에 의해 보호된다.
• 이 상전이는 매개변수 공간에서 유한한 범위에서 발생하므로 전통적인 전이와 다르게 비정상적이다. 즉, 단일 갭 닫힘 점에서가 아니라 범위 내에서 발생한다.
• 결정학적 와일 세미메탈 상은 입자-홀 대칭성이 깨져도 강력한 와일 노드를 유지한다.
• 입자-홀 대칭성과 교환 가능한 반사 대칭성의 조합으로 인해 표면 상태의 위상적 보호가 유지된다.
• 케인-멜레 모델에서 입자-홀 대칭성이 크게 깨져도 전이가 강건하게 유지되며, 강력한 위상적 내성임을 시사한다.
• 실재 물질에서 CWSM 상에 도달하기 위해 고자기장(10^3–10^4 T)이 필요하므로, 탑오테렉트리컬 회로가 실용적인 실험적 대안이 될 수 있다.