[论文解读] Multi-band nodal links in triple-point materials

Patrick M. Lenggenhager, Xiaoxiong Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出，在具有三重点的 $Π\mathcal{T}$-对称、无自旋-轨道耦合的晶体材料中施加应变，可通过非交换能带拓扑将其转变为多带节点环。该研究识别出 Li$_2$NaN 作为主要候选材料，其中应变和掺杂可实现电子和光学性质的可调性，为通过单极子荷载节点环探测非交换拓扑提供了一个平台。

ABSTRACT

We study a class of topological materials which in their momentum-space band structure exhibit three-fold degeneracies known as triple points. Specifically, we investigate and classify triple points occurring along high-symmetry lines of $\mathcal{P}\mathcal{T}$-symmetric crystalline solids with negligible spin-orbit coupling. By employing the recently discovered non-Abelian band topology, we argue that a rotation-symmetry-breaking strain transforms a certain class of triple points into multi-band nodal links. Although multi-band nodal-line compositions were previously theoretically conceived, a practical condensed-matter platform for their manipulation and inspection has hitherto been missing. By reviewing the known triple-point materials in the considered symmetry class, and by performing first-principles calculations to predict new ones, we identify suitable candidates for the realization of multi-band nodal links. In particular, we find that Li$_2$NaN is an ideal compound to study this phenomenon, where the band nodes facilitate largely tunable density of states and optical conductivity with doping and strain, respectively. The multi-band linking is expected to equip the nodal rings with monopole charges, making such triple-point materials a versatile platform to probe the non-Abelian band topology.

研究动机与目标

• 识别并分类在 $Π\mathcal{T}$-对称晶体固体中具有可忽略自旋-轨道耦合的三重点。
• 探索在破坏旋转对称性的应变作用下，三重点如何转变为多带节点环。
• 提供一个实际的凝聚 matter 平台，以实现和调控多带节点线结构。
• 识别候选材料——特别是 Li$_2$NaN——其中这些拓扑特征可被实验探测。

提出的方法

• 应用群论和对称性分析，对 $Π\mathcal{T}$-对称系统中高对称线上的三重点进行分类。
• 利用非交换能带拓扑描述节点环的拓扑不变量和链接结构。
• 通过第一性原理计算预测已知和新型三重点材料中的电子能带结构。
• 分析应变和掺杂对能带节点位置和电子响应函数的影响。
• 映射应变体系中由于多带链接而产生的节点环上的单极子电荷。
• 通过对称性保护的能带交叉验证节点结构的拓扑鲁棒性和可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $Π\mathcal{T}$-对称材料中，破坏旋转对称性的应变如何将三重点转变为多带节点环？
• RQ2 哪些拓扑不变量和链接模式可表征所产生的多带节点环？
• RQ3 哪些实际材料具有稳定的三重点，可通过应变调控为多带节点环？
• RQ4 掺杂和应变如何影响这些体系中的态密度和光学电导率？
• RQ5 这些材料能否作为实验探测非交换能带拓扑的稳健平台？

主要发现

• Li$_2$NaN 因其稳定的三重点结构和可调的能带节点，被识别为实现多带节点环的有前途候选材料。
• 在 Li$_2$NaN 中通过应变工程可显著调控态密度和光学电导率，实现能带节点的工程化。
• 在应变体系中预测多带节点环携带单极子电荷，表明其具有非交换拓扑特性。
• 第一性原理计算证实了在所考虑对称类中的已知材料中存在三重点。
• 通过应变将三重点转变为节点环的过程具有拓扑保护性，源于非交换能带拓扑。
• 该体系在保持对称性的微扰下表现出鲁棒性，支持非交换节点结构的潜在实验观测。