[论文解读] Three-nodal surface phonons in solid-state materials: Theory and material realization

Chengwu Xie, Hongkuan Yuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 81被引用 57

一句话总结

本文提出并识别了固态材料中的三节点面声子（三-NS声子），其受二重螺旋对称性与时间反演对称性共同保护。通过第一性原理计算与空间群筛选，作者在九种实际材料（如YCuS2、NiAs2和BaSi2）中发现三-NS声子存在于布里渊区所有三个ki = π平面，显著扩展了对称性强制的拓扑声子类别。

ABSTRACT

This year, Liu extit{et al}. [Phys. Rev. B extbf{104}, L041405 (2021)] proposed a new class of topological phonons (TPs; i.e., one-nodal surface (NS) phonons), which provides an effective route for realizing one-NSs in phonon systems. In this work, based on first-principles calculations and symmetry analysis, we extended the types of NS phonons from one- to three-NS phonons. The existence of three-NS phonons (with NS states on the $k_{i}$ = $\pi$ ($i$ = $x$, $y$, $z$) planes in the three-dimensional Brillouin zone (BZ)) is enforced by the combination of two-fold screw symmetry and time reversal symmetry. We screened all 230 space groups (SGs) and found nine candidate groups (with the SG numbers (Nos.) 19, 61, 62, 92, 96, 198, 205, 212, and 213) hosting three-NS phonons. Interestingly, with the help of first-principles calculations, we identified $P2_{1}$2$_{1}$2$_{1}$-type YCuS$_{2}$ (SG No. 19), $Pbca$-type NiAs$_{2}$ (SG No. 61), $Pnma$-type SrZrO$_{2}$ (SG No. 62), $P4_{1}$2$_{1}$2-type LiAlO$_{2}$ (SG No. 92), $P4_{3}$2$_{1}$2-type ZnP$_{2}$ (SG No. 96), $P2_{1}$3-type NiSbSe (SG No. 198), $Pa\bar{3}$-type As$_{2}$Pt (SG No. 205), $P4_{3}$32-type BaSi$_{2}$ (SG No. 212), and $P4_{1}$32-type CsBe$_{2}$F$_{5}$ (SG No. 213) as realistic materials hosting three-NS phonons. The results of our presented study enrich the class of NS states in phonon systems and provide concrete guidance for searching for three-NS phonons and singular Weyl point phonons in realistic materials.

研究动机与目标

• 将拓扑声子的类别从单节点面（one-NS）态扩展至三-NS声子。
• 识别在声子系统中实现三-NS声子的对称性条件。
• 筛选全部230个空间群，识别包含三-NS声子的空间群。
• 利用第一性原理计算验证真实材料中三-NS声子的存在。
• 为三-NS声子及相关奇异外尔点声子的实验探测提供具体路线图。

提出的方法

• 对声子能带进行了全面的对称性分析，重点关注时间反演对称性（T）与二重螺旋旋转对称性（S2i）之间的相互作用。
• 证明在ki = π平面上，(T S2i)² = −1的组合条件强制产生类似Kramer简并，从而形成两重简并的表面态。
• 基于S2x、S2y和S2z对称性的存在，筛选全部230个空间群（SGs），以识别支持三-NS声子的空间群。
• 使用维也纳从头算模拟程序包（VASP）和投影缀加平面波（PAW）方法，执行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 利用密度泛函微扰理论（DFPT）和PHONOPY计算九种选定材料（SG 19, 61, 62, 92, 96, 198, 205, 212, 213）的声子色散关系。
• 通过分析ki = π平面上的能带简并与色散关系，验证三-NS态的拓扑性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些空间群支持由对称性保护的三节点面声子？
• RQ2 在所有三个ki = π平面（kx = π, ky = π, kz = π）上，何种对称性机制强制形成三-NS声子？
• RQ3 三-NS声子是否可在真实、实验合成的材料中实现？
• RQ4 候选材料的声子色散关系在ki = π平面上如何表现出两重简并？
• RQ5 三-NS声子的拓扑保护与多重螺旋对称性的存在之间存在何种关系？

主要发现

• 九个空间群——SG编号19、61、62、92、96、198、205、212和213——因二重螺旋对称性与时间反演对称性共同作用，被确认为可承载三-NS声子。
• 三-NS声子在所有三个ki = π平面（kx = π, ky = π, kz = π）上受到对称性强制，形成具有线性色散关系的两重简并表面态。
• 第一性原理计算证实了P212121型YCuS2（SG 19）、Pbca型NiAs2（SG 61）、Pnma型SrZrO2（SG 62）、P41212型LiAlO2（SG 92）、P43212型ZnP2（SG 96）、P213型NiSbSe（SG 198）、Pa¯3型As2Pt（SG 205）、P4332型BaSi2（SG 212）和P4132型CsBe2F5（SG 213）中存在三-NS声子。
• 所有ki = π平面上的声子能带因(T S2i)² = −1条件导致的类似Kramer保护而表现出两重简并，证实了表面态的拓扑起源。
• 本研究建立了三-NS声子候选材料的完整清单，为未来通过非弹性中子散射或拉曼光谱实现实验探测提供了可能。
• 本工作将拓扑声子的范畴从节点点与节点线态扩展至新的三维拓扑声子态类别，具有增强量子振荡与奇异等离子体激发的潜力。