[論文レビュー] Hybrid Dirac Semimetal in CaAgBi Materials Family

Cong Chen, Shan‐Shan Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、CaAgBi系材料におけるスタッフィング・ワートツァイト構造を有するハイブリッドディラック半金属相を提案し、$C_{6v}$および非対称性の高い対称性によって保護される、タイプ-Iおよびタイプ-IIの偶然的ディラック点（$k_z$-軸上に位置）と、1つの本質的ディラック点（ブリユアンゾーン境界に位置）をすべて有する。反転対称性の破れにより、バンド簡約性は$k_z$-軸を除き解消され、チャーミカルキャリアの分離とバルク的p-nジャンクションにおける二重負の屈折が可能となり、異なる表面にディラックコーン状表面状態およびフェルミアーク状態を有する特徴的なトポロジカル表面状態が現れる。

ABSTRACT

Based on their formation mechanisms, Dirac points in three-dimensional systems can be classified as accidental or essential. The former can be further distinguished into type-I and type-II, depending on whether the Dirac cone spectrum is completely tipped over along certain direction. Here, we predict the coexistence of all three kinds of Dirac points in the low-energy band structure of CaAgBi-family materials with a stuffed Wurtzite structure. Two pairs of accidental Dirac points reside on the rotational axis, with one pair being type-I and the other pair type-II; while another essential Dirac point is pinned at the high symmetry point on the Brillouin zone boundary. Due to broken inversion symmetry, the band degeneracy around accidental Dirac points is completely lifted except along the rotational axis, which may enable the splitting of chiral carriers at a ballistic p-n junction with a double negative refraction effect. We clarify their symmetry protections, and find both the Dirac-cone and Fermi arc topological surface states.

研究の動機と目的

• 同一の材料系にタイプ-I、タイプ-IIの偶然的ディラック点および本質的ディラック点をすべて有する新しいハイブリッドディラック半金属相の同定と特性評価。
• 非対称性を持つ$P6_3mc$構造を有するCaAgBi系材料における偶然的および本質的ディラック点の対称性的保護機構の解明。
• 反転対称性の破れがディラック半金属におけるバンド簡約性およびチャーミカルキャリアダイナミクスに与える影響の解明。
• 異なる結晶表面におけるトポロジカル表面状態（フェルミアークおよびディラックコーン表面バンド）の同定と特性評価。
• バンド分裂に起因するp-nジャンクションにおける二重負の屈折に起因する電子光学的制御の可能性の提示。

提案手法

• スタッフィング・ワートツァイト構造を有するCaAgBi系材料の電子バンド構造を計算するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• $C_{6v}$点群および非対称性の高い空間群$P6_3mc$に基づく対称性解析を実施し、ディラック点の分類と保護を検証した。
• $k_z=0$および$k_z=\pi$平面における2次元$\mathbb{Z}_2$インバリアントを計算するためにウィルソンループ法を適用し、表面フェルミアークの存在を確認した。
• バルクディラック点および表面状態の検出を目的として、角度分解光電子分光法（ARPES）を実験的プローブとして提案した。
• p-nジャンクションを横切るバルク的輸送シミュレーションを実施し、$x$-$y$平面におけるキャリアダイナミクスおよび負の屈折効果をモデル化した。
• バイアス電圧および入射角の変化に伴うバンド分裂およびチャーミカルキャリア透過の解析により、チャーミカル状態の空間的分離を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の材料系が、タイプ-I、タイプ-IIの偶然的ディラック点および本質的ディラック点を同時に有することができるか？
• RQ2 反転対称性の欠如が、ディラック半金属におけるバンド簡約性およびチャーミカルキャリア輸送に与える影響は何か？
• RQ3 異なる結晶表面に現れるトポロジカル表面状態は何か？また、それらはどのように保護されているか？
• RQ4 この系におけるp-nジャンクションで二重負の屈折およびチャーミカルキャリア分離を達成できるか？
• RQ5 ドーピングや材料選択によって、異なるディラック点をどのようにプローブし、選択的にアクセスできるか？

主な発見

• CaAgBi系材料は、$k_z$-軸上に2組の偶然的ディラック点を有する。1組はタイプ-I分散を示し、もう1組はタイプ-II分散を示し、両者とも$C_{6v}$対称性によって保護されている。
• ブリユアンゾーン境界の高対称性A点に、1つの本質的ディラック点がピン留めされており、非対称性の高い対称性によって保護されている。
• 反転対称性の破れにより、偶然的ディラック点の周囲のバンド簡約性が解消され、$k_z$-軸を除きディラックバンドが完全に分裂する。
• バルク的p-nジャンクションにおいて、バンド分裂に起因する二重負の屈折が発生し、バイアス電圧および入射角の調整によりチャーミカルキャリアの空間的分離が可能になる。
• (001)表面ではディラックコーン状表面状態が観測され、(010)表面では$\mathbb{Z}_2 = 1$インバリアントが$k_z=0$平面に存在するため、投影されたディラック点を結ぶフェルミアーク状態が保護されている。
• 本系は、同一構造を有する三元化合物の広い家族においてハイブリッドディラック半金属相を支持しており、ドーピングや材料選択によって異なるディラック点に容易にアクセス可能である。