[论文解读] A new platform for topological quantum phenomena : Topological Insulator states in thermoelectric Heusler-related ternary compounds

Heng-Fu Lin, L. Andrew Wray+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 16被引用 350

一句话总结

该论文将扭曲的LuPtSb识别为首个具有Z₂ = -1的三维拓扑绝缘体态的三元半赫斯勒化合物，表明通过晶格畸变、合金化和异质结构，半赫斯勒家族可作为实现拓扑序的多功能平台。第一性原理计算证实了鲁棒的Z₂拓扑不变量和表面狄拉克锥，而YAuPb则表现出本征的金属非平庸态，将拓扑量子材料的范围扩展至二元Bi基体系之外。

ABSTRACT

Topological insulators (TI) realize a novel state of quantum matter that are distinguished by topological invariants of bulk band structure rather than spontaneously broken symmetries. A number of exotic quantum phenomena have been predicted to exist in multiply-connected geometries which require an enormous amount of materials flexibility. We have extended our previous search for TI materials from binary (Bi2X3 series) to the thermoelectric ternary compounds. We discover that the distorted LuPtSb is the first ternary compound harboring a 3D topological insulator state. We also show that the half-Heusler LuPtSb-type series is a natural platform that hosts a range of candidate compounds, alloys and artificial heterostructures (quantum-wells). We also discovered several different paradigms of trivial and non-trivial topological ordering in this class, including a metallic nontrivial topological state in YAuPb. Some of these materials are grown (results will be reported separately).

研究动机与目标

• 识别超越二元Bi₂X₃体系的新拓扑绝缘体材料，特别是在热电三元赫斯勒相关化合物中。
• 探索半赫斯勒MM′X家族的拓扑相空间，包括扭曲和未扭曲结构。
• 确立半赫斯勒平台作为实现多种拓扑态（包括绝缘体和金属非平庸态）的可调系统。
• 展示晶格畸变和化学调制在稳定强Z₂拓扑序中的作用。
• 为未来在这些材料中实现拓扑量子现象提供理论基础。

提出的方法

• 使用密度泛函理论（DFT）中的线性球面波（LAPW）方法进行第一性原理能带结构计算。
• 将自旋轨道耦合（SOC）作为第二步变分过程，使用标量相对论本征态。
• 采用广义梯度近似（GGA-PBE96）处理交换关联势。
• 通过单轴压力（沿[111]方向压缩3%，平面内膨胀3%）系统模拟晶格畸变，以探测拓扑相变。
• 通过从YAuPb到LuPtSb连续变形晶格进行绝热连续性分析，以确认Z₂不变量。
• 计算Z₂不变量并分析Γ点处的能带反转，以分类拓扑序。

实验结果

研究问题

• RQ1 半赫斯勒MM′X家族是否能在超越二元Bi基化合物的体系中实现三维拓扑绝缘体态？
• RQ2 晶格畸变在打开体相能隙并稳定原本为半金属的半赫斯勒化合物的拓扑绝缘体态中起什么作用？
• RQ3 化学调制（如用Lu取代Y）如何影响这些材料中的拓扑不变量Z₂？
• RQ4 本征金属化合物如YAuPb是否能在无体相能隙的情况下承载非平庸拓扑序？
• RQ5 拓扑序在静水压和晶格压缩下的鲁棒性如何？

主要发现

• 扭曲的LuPtSb被确定为MM′X系列中首个具有Z₂ = -1的三维拓扑绝缘体态的三元化合物。
• LuPtSb中的拓扑序在晶格畸变下具有鲁棒性，Γ点处的能带反转在绝热形变过程中持续存在。
• 沿[111]方向3%的菱面体畸变可解除简并并打开完整的体相能隙，形成完全带隙的拓扑绝缘体态。
• 对所有晶格参数进行3%的均匀压缩会反转能带结构，使LuPtSb从Z₂ = -1转变为平凡绝缘体。
• YAuPb被发现具有本征的金属非平庸拓扑态，且Z₂ = -1，展示了拓扑序的新范式。
• 半赫斯勒家族被确立为可高度调控的平台，可用于承载广泛的拓扑态，包括绝缘体、金属、合金和人工异质结构。