[論文レビュー] Strongly Ideal Robust Weyl Semimetals in Cubic Symmetry with Spatial-Inversion Breaking

R.Z. Wang, Jin-Zhu Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、空間群F-43mに属する非対称中心立方材料において、時間反転対称性と空間反転対称性の破れが、相反するヘリシティを持つ、動径空間で広く分離されたWeylノードを保護する、強い理想型で頑健なWeyl半金属の新クラスを提案する。この大きな分離により、長くトポロジカルに保護されたフェルミ面弧および表面状態が生じ、これらの材料は格子摂動に対して極めて安定であり、トポロジカル応用において有望である。

ABSTRACT

We show that compounds in a family that possess time-reversal symmetry and share a non-centrosymmetric cubic structure with the space group F-43m (No. 216) host robust ideal Weyl semi-metal fermions with desirable topologically protected features. The candidates in this family are compounds with different chemical formulas AB2, ABC, ABC2, and ABCD and their Fermi levels are predominantly populated by nontrivial Weyl fermions. Symmetry of the system requires that the Weyl nodes with opposite chirality are well separated in momentum space. Adjacent Weyl points have the same chirality, thus these Weyl nodes would not annihilate each other with respect to lattice perturbations. As Fermi arcs and surface states connect Weyl nodes with opposite chirality, the large separation of the latter in momentum space guarantees the appearance of very long arcs and surface states. This work demonstrates the use of system symmetry by first-principles calculations as a powerful recipe for discovering new Weyl semi-metals with attractive features whose protected fermions may be candidates of many applications.

研究の動機と目的

• 非対称中心立方結晶において、強化されたトポロジカル的頑健性を示すWeyl半金属の新家族を同定・特徴付けること。
• 空間反転対称性の破れと時間反転対称性が、これらの系においてWeylフェルミオンをどのように保護するかを理解すること。
• 相反するヘリシティを持つWeylノードの動径空間における大きな分離が、摂動下でも消失を防ぐ仕組みを示すこと。
• フェルミ面弧および表面状態が、この分離のおかげでトポロジカルに保護され、広範囲にわたって延長されることを確立すること。
• 第一原理計算を用いて、望ましい物理的特徴を有する理想Weyl半金属を発見するための対称性に基づく設計原則を提示すること。

提案手法

• F-43m空間群に属する化学式がAB2、ABC、ABC2、ABCDである化合物について、第一原理電子構造計算を実施した。
• バンド構造およびベリー曲率の分析により、Weylノードとそのヘリシティを同定した。
• 対称性解析により、時間反転対称性と空間反転対称性の欠如が、動径空間におけるWeylノードの分離を強制することが確認された。
• 表面状態スペクトルとWeylノードへの接続性を検討することで、フェルミ面弧および表面状態のトポロジカル性を検証した。
• 格子摂動下でのWeylノードの安定性を評価することで、Weylフェルミオンの頑健性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称中心立方材料において、動径空間で広く分離されたWeylノードを有するWeyl半金属を安定化させることは可能か？
• RQ2 時間反転対称性と空間反転対称性の破れの組み合わせが、Weylフェルミオンの消失を防ぐメカニズムは何か？
• RQ3 これらの系に見られる長大で頑健なフェルミ面弧のトポロジカル的起源は何か？
• RQ4 格子歪みに対して、Weylノードおよび表面状態はどの程度安定しているか？
• RQ5 対称性に基づく設計原則を用いて、強化されたトポロジカル的頑健性を有する新しい理想Weyl半金属を予測可能か？

主な発見

• F-43m立方材料におけるWeylノードは、時間反転対称性と空間反転対称性の破れの両方の効果により、動径空間で頑健に分離されている。
• 隣接するWeylノードは同一のヘリシティを有しており、格子摂動下でも消失を防ぐ。
• 相反するヘリシティを持つWeylノードの大きな分離のおかげで、フェルミ面弧および表面状態はトポロジカルに保護され、広範囲にわたって延長されている。
• これらの化合物におけるフェルミ準位は、非自明なWeylフェルミオンによって主に占められており、強いトポロジカル的特徴を示している。
• 第一原理計算により、高い安定性と頑健性を示す理想Weyl半金属の挙動が確認され、実験的実現および応用の可能性を支持する。