[论文解读] Topological Dirac-Nodal-Sphere Semimetal

Jianfeng Wang, Yizhou Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新型的三维动量空间拓扑狄拉克-节点球（DNS）半金属相，其中狄拉克能带在费米能级附近的二维球面区域发生交叉，该现象受晶体现象对称性保护。通过k·p模型和群论方法，研究在32个点群中识别出两类不同的DNS态，预测在应变作用下金属氢化物（MH₃，M=Y, Ho, Tb, Nd）和Si₃N₂可实现为实际候选材料，并展示了各向同性的鼓头形表面态，确立了DNS作为其他拓扑态的高对称性母相。

ABSTRACT

Topological semimetals (TSMs) in which conduction and valence bands cross at zero-dimensional (0D) Dirac nodal points (DNPs) or 1D Dirac nodal lines (DNLs), in 3D momentum space, have recently drawn much attention due to their exotic electronic properties. Here we generalize the TSM state further to a higher-symmetry and higher-dimensional Dirac nodal sphere (DNS), with the band crossing points forming a 2D closed sphere around the Fermi level. Based on the k*p model, we demonstrate two possible types of such novel DNS fermionic states underlied by different crystalline symmetries, whose topologies are well defined by two different topological invariants. We identify all the possible band crossings with pairs of 1D irreducible representations to form the DNS states in 32 point groups. Importantly, we discover that metal hydrides MH3 (M= Y, Ho, Tb, Nd) and Si3N2 are ideal candidates to realize these two types of DNS states under certain strains. Furthermore, we show that the DNS semimetal is characterized by drumhead surface states independent of surface orientations, which are distinctly different from the DNP or DNL semimetals. As a high-symmetry-required state, the DNS semimetal can be regarded as the parent phase for other topological gapped and gapless states.

研究动机与目标

• 识别并分类一种新型拓扑半金属相，其特征为三维动量空间中的2D狄拉克节点球（DNS）
• 确定保护DNS态的晶体现象对称性要求及拓扑不变量
• 利用不可约表示系统地识别所有32个晶体学点群中可能存在的DNS态
• 预测具体材料——特别是MH₃（M=Y, Ho, Tb, Nd）和Si₃N₂——在外部应变条件下可承载DNS相
• 探索DNS半金属的独特表面态拓扑结构，并与传统狄拉克节点点或节点线半金属的表面态进行区分

提出的方法

• 采用k·p有效哈密顿量模型，描述候选材料中费米能级附近低能电子激发行为
• 应用群论方法，利用高对称动量点处小共群的一维不可约表示分析能带交叉
• 计算两种不同的拓扑不变量，基于其潜在的晶体现象对称性对两类DNS态进行分类
• 在全部32个点群中进行对称性与能带结构分析，识别支持DNS态的点群
• 在第一性原理计算中采用应变工程，以稳定MH₃和Si₃N₂材料中的DNS相
• 通过表面格林函数技术映射表面态，验证各向同性鼓头形表面态的存在

实验结果

研究问题

• RQ1 在哪些对称性强制条件下，三维拓扑半金属中可出现2D狄拉克节点球（DNS）？
• RQ2 两类不同的DNS态如何由不同晶体现象对称性产生，其对应的拓扑不变量是什么？
• RQ3 在32个点群中，哪些点群可实现DNS态，其关联的能带交叉模式如何？
• RQ4 哪些实际材料可承载DNS相，其在何种外部条件（如应变）下可被稳定？
• RQ5 DNS半金属的表面态在形态和取向依赖性方面，与狄拉克节点点或节点线半金属的表面态有何不同？

主要发现

• 预测了两类不同的狄拉克-节点球（DNS）态，各自由不同晶体现象对称性保护，并具有独特的拓扑不变量
• DNS半金属相通过在32个点群中由一对一维不可约表示描述的能带交叉而实现
• 金属氢化物MH₃（M = Y, Ho, Tb, Nd）和Si₃N₂被确定为在特定应变条件下可实现DNS相的有前途候选材料
• DNS半金属具有各向同性的鼓头形表面态，这一特征在DNP或DNL半金属中并不存在
• DNS相被提出作为高对称性母相，可演化为其他拓扑绝缘相和半金属相
• DNS态的存在在保持对称性的微扰下具有鲁棒性，经由拓扑不变量计算和对称性分析得到验证