[論文レビュー] Weyl semimetal phase in non-centrosymmetric transition metal monophosphides

Hongming Weng, Chen Fang+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 31, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 86

ひとこと要約

本稿では、非磁性遷移金属モノホスファイド（TaAs、TaP、NbAs、NbP）が逆斉次性の破れによりWeyl半金属相を示すと提案している。スピン軌道結合によるバンド反転が鏡面内で発生し、12組のWeyl点が生じる。主な結果は、鏡チャーン数とヘリカルなWeylノード接続性に起因する、実験的に検出可能な長さのFermi準拠が(001)面および(100)面に存在することである。

ABSTRACT

Based on first principle calculations, we show that a family of nonmagnetic materials including TaAs, TaP, NbAs and NbP are Weyl semimetal (WSM) without inversion center. We find twelve pairs of Weyl points in the whole Brillouin zone (BZ) for each of them. In the absence of spin-orbit coupling (SOC), band inversions in mirror invariant planes lead to gapless nodal rings in the energy-momentum dispersion. The strong SOC in these materials then opens full gaps in the mirror planes, generating nonzero mirror Chern numbers and Weyl points off the mirror planes. The resulting surface state Fermi arc structures on both (001) and (100) surfaces are also obtained and show interesting shapes, pointing to fascinating playgrounds for future experimental studies.

研究の動機と目的

• 非対称中心を有する遷移金属モノホスファイドにおいて、新しい非磁性Weyl半金属のクラスを同定・特徴づける。
• 時間反転対称性および逆斉次性の破れが存在しない状況下でWeyl点がどのように出現するかを説明し、鏡対称性とスピン軌道結合に依存することを示す。
• 表面Fermi準拠の構造とそのトポロジカル保護を、鏡チャーン数とヘリカルなノード接続性によって予測する。
• 化学 stoichiometric で非磁性の材料におけるWeyl半金属的挙動の実験的検出の理論的基盤を提供する。
• Fermi準拠が従来の提案よりも顕著に長く、実験的可視性が向上することを示す。

提案手法

• TaAs、TaP、NbAs、およびNbPの電子バンド構造を決定するための第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算。
• スピン軌道結合を含まない状況での鏡対称性保ちの平面におけるバンド反転の分析により、ノードループが生成されることを示す。
• スピン軌道結合を組み込むことでノードループがギャップ化され、相反するヘリシティを持つWeyl点が生成されることを示す。
• 鏡面での鏡チャーン数（MCN）の計算により、Weyl半金属相を保護するトポロジカル不変量を同定する。
• (001)面および(100)面におけるFermi準拠のマップ作成のため、Wannier関数から導かれたタイトバインディングモデルを用いた第一原理的表面状態計算。
• グリーン関数法を用いて表面状態を計算し、MCNおよびヘリカルなノード投影によるトポロジカル制約と整合性があることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気秩序が存在しない非磁性・非対称中心材料、例えば遷移金属モノホスファイドにおいて、Weyl半金属相が出現しうるか？
• RQ2 これらの材料におけるWeyl点のトポロジカル起源は何か？鏡チャーン数とバンド反転はどのように寄与するか？
• RQ3 (001)面および(100)面における表面Fermi準拠の構造的接続性とトポロジーにどのような相違があるか？
• RQ4 なぜTaAs系材料におけるFermi準拠は、従来の提案されたWeyl半金属よりも顕著に長いのか？
• RQ5 表面の緩和や外部ポテンシャルの変化によって、表面Fermi準拠の接続性を調整可能か？

主な発見

• TaAs、TaP、NbAs、およびNbPの各材料は、鏡面内でのスピン軌道結合によるノードループのギャップ化に起因し、バルクブリユアンゾーンに正確に12組のWeyl点を有する。
• Weyl半金属相は、2つの鏡対称性保ちの平面における非ゼロの鏡チャーン数によって安定化され、Weyl点が自明化から保護されている。
• (001)表面では、Fermi準拠が非常に長く、Γ–M方向にゾーン境界を横断するため、実験的検出性が著しく向上する。
• (100)表面では、ΓZN平面の鏡チャーン数に起因して、Γ–Y線に沿った一対のヘリカル表面モードが存在するが、Fermi準拠の接続性は制限が少ない。
• (001)表面におけるFermi準拠の接続性は、同じヘリシティを持つWeyl点の投影によって保証されるが、(100)表面では相反するヘリシティのノードのペアリングに依存する。
• 表面の緩和やポテンシャルの変化によって、Fermi準拠のパターンはトポロジカル相転移を経験する可能性があり、表面トポロジーの調整が可能である。