[论文解读] A strongly robust Weyl fermion semimetal state in Ta$_{3}$S$_{2}$

Guoqing Chang, Su‐Yang Xu+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 37被引用 5

一句话总结

该论文通过第一性原理计算与对称性分析，提出Ta₃S₂是一种高度稳定的II型外尔半金属，其动量空间中外尔节点的分离度在已知候选材料中最大——约为TaAs的两倍，且是WTe₂的二十倍。其鲁棒性源于本征的结构稳定性、无需微调，以及可通过晶格膨胀实现的拓扑金属-绝缘体相变，使其非常适合用于探测手征异常及未来器件应用。

ABSTRACT

Weyl semimetals are extremely interesting. Although the first Weyl semimetal was recently discovered in TaAs, research progress is still significantly hindered due to the lack of robust and ideal materials candidates. In order to observe the many predicted exotic phenomena that arise from Weyl fermions, it is of critical importance to find robust and ideal Weyl semimetals, which have fewer Weyl nodes and more importantly whose Weyl nodes are well separated in momentum space and are located close to the chemical potential in energy. In this paper, we propose by far the most robust and ideal Weyl semimetal candidate in the inversion breaking, single crystalline compound tantalum sulfide Ta$_3$S$_2$ with new and novel properties beyond TaAs. We find that Ta$_3$S$_2$ has only 8 Weyl nodes, all of which have the same energy that is merely 10 meV below the chemical potential. Crucially, our results show that Ta$_3$S$_2$ has the largest $k$-space separation between Weyl nodes among known Weyl semimetal candidates, which is about twice larger than TaAs and twenty times larger than the predicted value in WTe$_2$. Moreover, we predict that increasing the lattice by $<4\%$ can annihilate all Weyl nodes, driving a novel topological metal-to-insulator transition from a Weyl semimetal state to a topological insulator state. We further discover that changing the lattice constant can move the Weyl nodes and the van Hove singularities with enhanced density of states to the chemical potential. Our prediction provides a critically needed robust candidate for this rapidly developing field. The well separated Weyl nodes, the topological metal-to-insulator transition and the remarkable tunabilities suggest Ta$_3$S$_2$'s potential as the ideal platform in future device-applications based on Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 识别并设计动量空间中外尔节点分离度最大的外尔半金属，以增强实验可观测性与鲁棒性。
• 建立一种基于晶体结构、对称性与能带拓扑的一般性方法，用于预测鲁棒的外尔半金属候选材料。
• 证明Ta₃S₂在已知外尔半金属候选材料中具有最大的k空间外尔节点分离度，优于TaAs与WTe₂。
• 探索通过晶格工程实现外尔半金属到拓扑绝缘体相变的实验可行路径。
• 通过角分辨光电子能谱与输运测量验证在Ta₃S₂中观测外尔费米子的实验可行性，因其节点靠近费米能级。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得Ta₃S₂的电子能带结构及外尔节点位置。
• 分析外尔节点附近的能带色散，确认其具有II型外尔费米子特征，表现为倾斜的圆锥形色散与鞍点能带结构。
• 识别由于能带的鞍点特性，外尔节点处存在范霍夫奇点，从而增强态密度。
• 通过群论分析确认无反演对称性，从而从拓扑上保护外尔节点。
• 通过结构形变模拟晶格膨胀效应，预测系统向拓扑绝缘体相变的路径。
• 提出三种实验上可行的途径，将b晶格常数增加约4%：外加压力（约6 GPa）、通过晶格失配衬底施加外延应变，以及等电子取代（如S替换为Se）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ta₃S₂中外尔节点的动量空间分离度是多少？与其它已知外尔半金属候选材料相比如何？
• RQ2 Ta₃S₂是否能在不依赖化学成分或外场微调的情况下保持鲁棒的外尔半金属态？
• RQ3 Ta₃S₂中外尔半金属到拓扑绝缘体的拓扑相变路径是什么？是否具有实验可实现性？
• RQ4 外尔节点处范霍夫奇点的存在如何影响Ta₃S₂的电子与输运性质？
• RQ5 能否通过光电子能谱或扫描隧道显微光谱实验分辨Ta₃S₂中外尔节点的分离度？

主要发现

• 在已知外尔半金属候选材料中，Ta₃S₂具有最大的k空间外尔节点分离度，约为TaAs的两倍，且是WTe₂的二十倍。
• Ta₃S₂中外尔节点位于费米能级附近，可通过角分辨光电子能谱（ARPES）实现直接观测。
• 外尔节点附近的能带结构呈鞍点特征，导致范霍夫奇点出现，从而增强态密度，并在态密度的一阶导数中产生发散。
• 预测b晶格常数增加约4%将导致所有外尔节点湮灭，使系统进入拓扑绝缘体相。
• 该所需的晶格膨胀可通过外加压力（约6 GPa）、在晶格失配衬底上施加外延应变，或等电子取代（如Ta₃(S₁₋ₓSeₓ)₂）在实验上实现。
• Ta₃S₂为单晶且破缺反演对称性的化合物，具有本征稳定性，是探测手征异常与磁单极物理的理想实验体系。