[论文解读] Theoretical Discovery/Prediction: Weyl Semimetal states in the TaAs material (TaAs, NbAs, NbP, TaP) class

Shin-Ming Huang, Su‐Yang Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用 641

一句话总结

该论文从理论上预测了在化学计量比、破坏反演对称性的材料（如TaAs、NbAs、NbP和TaP）中存在外尔半金属态。通过第一性原理计算，识别出自旋极化的外尔锥和拓扑保护的费米弧表面态，证明这些材料中存在无需调节组分或磁序的强鲁棒性本征外尔费米子，确立了TaAs作为真实材料体系中首个拓扑半金属相的候选者。

ABSTRACT

The recent discoveries of Dirac fermions in graphene and on the surface of topological insulators have ignited worldwide interest in physics and materials science. A Weyl semimetal is an unusual crystal where electrons also behave as massless quasi-particles but interestingly they are not Dirac fermions. These massless particles, Weyl fermions, were originally considered in massless quantum electrodynamics but have not been observed as a fundamental particle in nature. A Weyl semimetal provides a condensed matter realization of Weyl fermions, leading to unique transport properties with novel device applications. Here, we THEORETICALLY identify the first Weyl semimetal in a class of stoichiometric materials (TaAs, NbAs, NbP, TaP), which break crystalline inversion symmetry, including TaAs, TaP, NbAs and NbP. Our first-principles calculation-based predictions on TaAs reveal the spin-polarized Weyl cones and Fermi arc surface states in this compound. We also observe pairs of Weyl points with the same chiral charge which project onto the same point in the surface Brillouin zone, giving rise to multiple Fermi arcs connecting to a given Weyl point. Our results show that TaAs is the first topological semimetal identified which does not depend on fine-tuning of chemical composition or magnetic order, greatly facilitating an exploration of Weyl physics in real materials. (Note added: This theoretical prediction of November 2014 (see paper in Nature Communications) was the basis for the first experimental discovery of Weyl Fermions and topological Fermi arcs in TaAs recently published in Science (2015) at http://www.sciencemag.org/content/early/2015/07/15/science.aaa9297.full.pdf)

研究动机与目标

• 识别一类化学计量比、非磁性、破坏反演对称性的材料，其可实现本征外尔半金属态。
• 证明外尔费米子可在真实晶体固体中作为强鲁棒准粒子出现，而无需外部调节或磁序。
• 确立这些材料中存在拓扑保护的费米弧表面态，其为半金属中非平庸拓扑的特征。
• 为外尔费米子及其在真实材料中独特输运现象的实验发现提供理论基础。

提出的方法

• 使用GGA泛函和规范守恒赝势的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 通过j依赖赝势引入自旋-轨道耦合，以捕捉自旋极化的能带结构。
• 为As的p轨道和Ta的d轨道构建保持对称性的Wannier函数，以生成实空间紧束缚哈密顿量。
• 采用包含Ta终止和As终止表面的80原子层超胞模型计算表面态。
• 采用(17×17×5) k点网格对布里渊区进行采样，并使用1000 Ry的实空间截断能进行数值积分。
• 分析能带结构和费米面轮廓，以识别外尔点及其拓扑性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在化学计量比、非磁性、破坏反演对称性的材料（如TaAs）中，是否可在不调节化学组成或磁序的条件下出现外尔半金属态？
• RQ2 此类材料中的表面态性质如何？其是否表现出理论预测的拓扑保护费米弧？
• RQ3 具有相反手性电荷的外尔点如何投影到表面布里渊区？其表面态的连通性如何？
• RQ4 体相能带拓扑在表面产生闭合费米面轮廓中起何作用？这与外尔点的湮灭有何关联？
• RQ5 由于表面弧与体相外尔点的相互作用，沿恒定能量轮廓的电子输运是否可能表现出奇异行为？

主要发现

• 第一性原理计算证实TaAs中存在自旋极化的外尔锥，外尔点周围三个动量方向均呈现线性色散。
• 观察到多个费米弧表面态，相同手性电荷的外尔点对投影到表面布里渊区的同一点。
• TaAs中的外尔半金属相具有强鲁棒性和本征性，源于晶格反演对称性破缺，无需调节化学组成或磁序。
• 费米弧表面态以特定方式连接外尔点，形成新型电子轨迹：从表面弧经体相到达对面表面，再通过另一条弧返回，构成闭合回路。
• 理论分析表明，成对湮灭的外尔点可导致拓扑或 trivial 绝缘体相，具体取决于湮灭路径，这对底部表面X̄′点附近观察到的闭合费米面具有重要意义。
• 预测的表面输运行为——电子沿表面弧和外尔点形成回路——暗示了奇异的非局域和手性输运现象，与外尔半金属器件的理论设想一致。