[论文解读] Kramers theorem-enforced Weyl fermions: Theory and Materials Predictions (Ag$_3$BO$_3$, TlTe$_2$O$_6$ and Ag$_2$Se related families)

Guoqing Chang, Daniel S. Sanchez+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出了一类新的外尔费米子——考林斯-外尔费米子——其受结构手性、时间反演对称性及晶格平移对称性保护，存在于具有自旋轨道耦合的非磁性手性晶体中。与传统外尔费米子不同，这类费米子出现在时间反演不变动量点上，并由对称性保证其拓扑性质，从而实现诸如手性体费米面和大能量窗口内独特的自旋纹理等新奇现象。

ABSTRACT

Chiral crystals are materials whose lattice structure has a well-defined handedness due to the lack of inversion, mirror, or other roto-inversion symmetries. These crystals represent a broad, important class of quantum materials; their structural chirality has been found to allow for a wide range of phenomena in condensed matter physics, including skyrmions in chiral magnets, unconventional pairing in chiral superconductors, nonlocal transport and unique magnetoelectric effects in chiral metals, as well as enantioselective photoresponse. Nevertheless, while these phenomena have been intensely investigated, the topological electronic properties of chiral crystals have still remained largely uncharacterized. While recent theoretical advances have shown that the presence of crystalline symmetries can protect novel band crossings in 2D and 3D systems, we present a new class of Weyl fermions enforced by the absence of particular crystal symmetries. These fermions are a universal topological electronic property of all nonmagnetic chiral crystals with spin-orbit coupling (SOC); they are guaranteed by lattice translation, structural chirality, and time-reversal symmetry, and unlike conventional Weyl fermions, appear at time-reversal-invariant momenta (TRIMs). We cement this finding by identifying representative chiral materials in the majority of the 65 chiral space groups in which Kramers-Weyl fermions are relevant to low-energy physics. By combining our analysis with the results of previous works, we determine that all point-like nodal degeneracies in nonmagnetic chiral crystals with relevant SOC carry nontrivial Chern numbers. We further show that, beyond the previous phenomena allowed by structural chirality, Kramers-Weyl fermions enable unusual phenomena, such as a novel electron spin texture, chiral bulk Fermi surfaces over large energy windows.

研究动机与目标

• 识别并表征一类新的拓扑外尔费米子——考林斯-外尔费米子——其保护机制源于手性晶体中不存在反演、镜像及旋转反演对称性。
• 确立这些费米子在具有自旋轨道耦合的非磁性手性晶体中普遍受时间反演对称性、结构手性和晶格平移对称性保护。
• 确定此类系统中所有点状节点简并的拓扑性质，证明其具有非平凡的陈数。
• 预测在65种手性空间群中存在实材料，其低能电子结构中包含这些费米子，包括Ag3BO3、TlTe2O6及Ag2Se相关化合物。
• 探索由考林斯-外尔费米子引发的新物理现象，如手性体费米面和独特的电子自旋纹理。

提出的方法

• 利用群论与对称性分析，识别非磁性手性晶体中自旋轨道耦合下外尔节点的拓扑保护机制。
• 应用考林斯定理，在时间反演不变动量点（TRIMs）强制简并，从而导致考林斯-外尔费米子的出现。
• 在TRIMs附近构建有效哈密顿量，以描述这些费米子的低能物理行为并确认其拓扑性质。
• 系统分析全部65种手性空间群，识别出考林斯-外尔费米子对低能电子结构具有重要意义的空间群。
• 结合基于对称性的拓扑分类与先前关于节点简并的研究结果，证明所有点状节点均携带非平凡的陈数。
• 通过第一性原理计算与对称性分析进行材料预测，重点关注Ag3BO3、TlTe2O6及Ag2Se相关系列作为代表性候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有自旋轨道耦合的非磁性手性晶体中，由于缺乏反演和镜像对称性，会强制产生哪些拓扑电子态？
• RQ2 时间反演对称性与结构手性如何共同保护时间反演不变动量点处的外尔费米子？
• RQ3 此类系统中点状节点简并对应的拓扑不变量（如陈数）是什么？
• RQ4 在65种手性空间群中，哪些真实材料在其低能电子结构中包含考林斯-外尔费米子？
• RQ5 除了已知的手性效应外，考林斯-外尔费米子的存在还会引发哪些新颖的物理现象？

主要发现

• 考林斯-外尔费米子在具有自旋轨道耦合的非磁性手性晶体中普遍受晶格平移、结构手性和时间反演对称性保护。
• 这些费米子出现在时间反演不变动量点（TRIMs），与出现在一般动量点的传统外尔费米子形成鲜明对比。
• 此类系统中所有点状节点简并均携带非平凡的陈数，证实其具有拓扑鲁棒性。
• 考林斯-外尔费米子可实现一种新颖的电子自旋纹理，具有手性且与传统外尔费米子不同。
• 由于这些费米子的拓扑性质，手性体费米面在大能量窗口内出现，这是此前未报道的现象。
• Ag3BO3、TlTe2O6及Ag2Se相关材料被确定为在多个手性空间群中宿主考林斯-外尔费米子的代表性候选材料。