[論文レビュー] High-throughput Calculations of Antiferromagnetic Topological Materials From Magnetic Topological Quantum Chemistry

Yuanfeng Xu, Luis Elcoro+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、磁性バンド理論および磁性トポロジカル量子化学（MTQC）を用いて、ビルバオ磁性物質データベースに収録された549種の非強磁性物質について高スループットなab initio計算を実施した。LDA+Uを用いたバンド構造計算とトポロジカル不変量および遮断原子配置の分析により、既存の10倍にあたる130種の磁性トポロジカル物質を同定した。

ABSTRACT

Using magnetic band theory and topological indices obtained from Magnetic Topological Quantum Chemistry (MTQC), we have performed the first high-throughput calculations of 549 magnetic topological materials and have discovered 130 magnetic enforced semimetals and topological insulators, thereby enhancing by a factor of 10 the number of known magnetic topological materials. We use as our starting-point the Bilbao Magnetic Material Database, containing 549 non-ferromagnetic compounds whose magnetic structure and symmetry group have been painstakingly deduced from neutron-scattering experiments. This knowledge is crucial for correct {\it ab initio} calculations of the materials' band structure, which we have performed for each of those compounds - including complete phase diagrams at different values of Hubbard potential in LDA+U. Using an in-house code to be made publicly available for finding the magnetic co-representations at high symmetry points, we then feed this data into the topological machinery of MTQC to determine the topological materials, as well as the obstructed atomic limits. We then pick several candidates for showcasing new topological physics and analyze the topological trends in the materials upon varying interactions.

研究の動機と目的

• 実験的に決定された磁性構造から、系統的に磁性トポロジカル物質を同定すること。
• 既存の磁性トポロジカル半導体および半金属の不足を補うために、物質データベースを拡張すること。
• 非強磁性物質におけるトポロジカル相を分類するために、磁性トポロジカル量子化学（MTQC）を適用すること。
• ハーバードUパラメータを用いた電子相関効果が、磁性物質のトポロジカル性質に与える影響を調査すること。
• 高対称点における磁性共表現を計算するための自作コードを開発・公開すること。

提案手法

• 実験的に決定された磁性空間群を有する549種の非強磁性化合物を含むビルバオ磁性物質データベースを活用した。
• 電子相関効果をモデル化するため、変動するハーバードU値を用いたLDA+Uを用いたab initioバンド構造計算を実施した。
• ブリユアンゾーン内の高対称点における磁性共表現を計算するための自作コードを実装した。
• 磁性トポロジカル量子化学（MTQC）のトポロジカル分類フレームワークを適用し、トポロジカル不変量および遮断原子配置を特定した。
• 得られたバンド構造を分析して、トポロジカル絶縁体、半金属、および遮断原子配置を有する物質を同定した。
• 電子相関の変動に伴うトポロジカル傾向を詳細に分析するための代表的候補を選定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子相関効果を受ける非強磁性磁性物質のうち、どの物質がトポロジカル電子状態を示すか？
• RQ2 磁性空間群の対称性および磁性共表現は、トポロジカル相の出現にどのように寄与するか？
• RQ3 遮断原子配置は、磁性物質におけるトポロジカル半金属性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 ハーバードUパラメータの変動が、磁性物質のトポロジカル分類にどのように影響するか？
• RQ5 高スループットなMTQCベースの解析は、既知の磁性トポロジカル物質のセットを顕著に拡張できるか？

主な発見

• 本研究では130種の磁性トポロジカル物質を同定し、既存の10倍にあたる数の化合物が同定された。
• 解析された549種の物質のうち、130種がトポロジカル不変量および遮断原子配置に基づき、トポロジカル絶縁体または半金属に分類された。
• LDA+Uによる電子相関の導入によりバンドトポロジが顕著に変化し、相関効果が正確なトポロジカル分類に不可欠であることが示された。
• 開発された自作コードは、高対称点における磁性共表現を正確に計算でき、系統的なトポロジカル解析を可能にした。
• 複数の候補物質が、ハーバードU値の変動に対しても安定したトポロジカル特徴を示し、調整可能なトポロジカル相である可能性が示された。
• 結果から、磁性対称性と電子相関が非強磁性物質におけるトポロジカル行動を共同で支配していることが明らかになった。