[논문 리뷰] Type-II Topological Dirac Semimetals: Theory and Materials Prediction (VAl3 family)

Tay‐Rong Chang, Su‐Yang Xu외 14명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 VAl₃ 계열 내에서 강한 로렌츠 대칭 위반을 보이는 디рак 노드를 가진 새로운 위상적 반도체 상태—타입-II 위상적 디рак 반도체—를 제안한다. 이는 측위 전하 ±1을 가진 네 개의 타입-II 와일 노드가 융합되어 발생한다. 저자들은 전통적인 디랙 반도체와는 다름없는 고유한 랑주르 레벨 스펙트럼을 예측하고, 결정 구조의 왜곡을 통해 위상적 양자 상태 전이를 입증하며, VAl₃가 전송 및 스펙트럼 실험에서 로렌츠 대칭 위반 디랙 페르미온을 연구하기 위한 조절 가능한 플랫폼으로서의 가능성을 확립한다.

ABSTRACT

The discoveries of Dirac and Weyl semimetal states in spin-orbit compounds led to the realizations of elementary particle analogs in table-top experiments. In this paper, we propose the concept of a three-dimensional type-II Dirac fermion and identify a new topological semimetal state in the large family of transition-metal icosagenides, MA3 (M=V, Nb, Ta; A=Al, Ga, In). We show that the VAl3 family features a pair of strongly Lorentz-violating type-II Dirac nodes and that each Dirac node consists of four type-II Weyl nodes with chiral charge +/-1 via symmetry breaking. Furthermore, we predict the Landau level spectrum arising from the type-II Dirac fermions in VAl3 that is distinct from that of known Dirac semimetals. We also show a topological phase transition from a type-II Dirac semimetal to a quadratic Weyl semimetal or a topological crystalline insulator via crystalline distortions. The new type-II Dirac fermions, their novel magneto-transport response, the topological tunability and the large number of compounds make VAl3 an exciting platform to explore the wide-ranging topological phenomena associated with Lorentz-violating Dirac fermions in electrical and optical transport, spectroscopic and device-based experiments.

연구 동기 및 목표

• 기존의 디랙 및 와일 페르미온을 초월하여 새로운 위상적 반도체의 클래스—타입-II 디랙 반도체—를 식별하고 특성화하는 것.
• 전이 금속 이코사제나이드 MA₃(M=V, Nb, Ta; A=Al, Ga, In)에서 강한 로렌츠 대칭 위반 디랙 노드의 기원을 탐구하는 것.
• 기존의 디랙 반도체와 다름없는 고유한 랑주르 레벨 스펙트럼이 VAl₃ 내 타입-II 디랙 페르미온에서 어떻게 발생하는지 예측하는 것.
• 결정 구조의 왜곡에 의해 타입-II 디랙 반도체에서 이차형 와일 반도체 또는 위상적 결정 고립체로의 위상적 양자 상태 전이를 조사하는 것.
• VAl₃가 전기적, 광학적, 장치 기반 실험에서 위상적 현상을 탐색하기 위한 다재다능한 플랫폼으로서의 역할을 확립하는 것.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합과 시간 역행 대칭을 포함한 VAl₃의 저에너지 전자 구조를 기술하기 위해 k·p 효과적 해밀토니안 모델을 개발하였다.
• 대칭 분석을 통해 VAl₃의 디랙 노드가 측위 전하 ±1을 가진 네 개의 타입-II 와일 노드가 대칭 보호를 통해 융합되어 발생함을 보였다.
• 디랙 점 근처의 밴드 분산을 기술하기 위해 실수 및 복소수 매개변수(α, β, γ, η, δ, ξ)를 사용한 4×4 해밀토니안 H(**k**)를 구성하였다.
• DFT 계산을 수행하고 k·p 모델을 밴드 구조에 맞추어 적합시켜, 모든 방향에서 선형 분산과 k_z 방향에서의 타입-II 와일 행동을 확인하였다.
• 교환장 M_zσ₃의 영향을 분석하여 이중으로 디세기된 밴드가 네 개의 단일 디세기된 밴드로 분리됨을 확인하였으며, k_x 및 k_y 방향에서 이중 와일 분산, k_z 방향에서 타입-II 와일 분산을 드러내었다.
• 결정 구조의 왜곡을 시뮬레이션하기 위해 매개변수를 조절하여 상태 전이를 탐색하였으며, 이로 인해 이차형 와일 반도체 또는 위상적 결정 고립체 상태로의 위상적 전이가 발생하는 것으로 나타났다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VAl₃ 계열에서 3차원 타입-II 디랙 페르미온 상태가 존재할 수 있으며, 그 대칭 보호 위상적 특성은 무엇인가?
• RQ2 VAl₃ 내 타입-II 디랙 페르미온의 랑주르 레벨 스펙트럼은 기존의 디랙 반도체와 어떻게 다를까?
• RQ3 VAl₃의 디랙 노드는 어떤 기원을 가지며, 측위 전하 ±1을 가진 네 개의 타입-II 와일 노드 융합과 어떤 관련이 있는가?
• RQ4 결정 구조의 왜곡은 타입-II 디랙 반도체에서 이차형 와일 반도체 또는 위상적 결정 고립체로의 위상적 양자 상태 전이를 어떻게 이끌어내는가?
• RQ5 로렌츠 대칭 위반은 이 새로운 위상적 상태의 고유한 전자적 및 전송적 성질을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• VAl₃ 계열은 DFT 및 k·p 모델 계산을 통해 강한 로렌츠 대칭 위반 타입-II 디랙 노드를 가짐을 확인하였다.
• 각 디랙 노드는 대칭 보호 융합으로 인해 발생하는 측위 전하 ±1을 가진 네 개의 타입-II 와일 노드로 구성되어 있다.
• VAl₃의 랑주르 레벨 스펙트럼은 기존의 알려진 디랙 반도체와 다름없어, 새로운 자기장 전송 반응을 나타낸다.
• 적합된 매개변수(α₀ = -0.0274, α₅ = -0.0179, β₀ = 0.3730, β₅ = 0.1831, γ₀ = 2.0574, γ₅ = 0.8662, η = 1.6590 - i0.7754, δ = -(0.8351 + i0.0301), ξ = -(0.0048 + i0.1961))를 가진 k·p 모델은 선형 분산과 디랙 노드 구조를 재현한다.
• 교환장 M_zσ₃를 적용하면 디랙 밴드가 네 개의 단일 디세기된 밴드로 분리되며, k_x 및 k_y 방향에서 이중 와일 분산, k_z 방향에서 타입-II 와일 분산이 드러난다.
• 결정 구조의 왜곡은 타입-II 디랙 반도체에서 이차형 와일 반도체 또는 위상적 결정 고립체로의 위상적 전이를 유도하며, 이는 위상 상태의 조절 가능성을 보여준다.