[论文解读] Dirac node lines in a two-dimensional bipartite square lattice

Bo Yang, Xiaoming Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

该论文通过pz/px,y或pz/s轨道的紧束缚模型，在二分格子正方晶格中提出二维狄拉克节点线（DNL）半金属，其中能带反转导致对自旋轨道耦合不敏感的鲁棒DNL。第一性原理计算证实Be2C和BeH2单层在动量空间的Γ和K点处具有费米圆，受非零拓扑不变量和边缘态保护，为实现二维DNL材料提供了新途径。

ABSTRACT

As a new type of quantum matter, Dirac node line (DNL) semimetals are currently attracting widespread interest in condensed matter physics and material science. The DNL featured by a closed line consisting of linear band crossings in the lattice momentum space are mostly predicted in three-dimensional materials. Here, we propose tight-binding (TB) models of pz/px,y or pz/s orbitals in a two-dimensional (2D) bipartite square lattice for the 2D version of DNL semimetals. The DNL states in these models are caused by the inversion of the bands with different symmetries and thus robust again spin-orbit coupling (SOC). By means of first-principles calculations, we demonstrate two candidate 2D materials of these models: Be2C and BeH2 monolayers, which have Fermi circles centered at Γ (0,0) and K (1/2, 1/2) points, respectively. The topological nontriviality is verified by the non-zero topological invariant and the edge states. This work opens an avenue for design of 2D DNL semimetals.

研究动机与目标

• 在二分格子正方晶格中提出狄拉克节点线（DNL）半金属的二维实现，将三维材料中的概念拓展至二维体系。
• 证明在二维系统中，由于具有不同对称性的能带反转，DNL对自旋轨道耦合具有鲁棒性。
• 识别可实现的二维材料——Be2C和BeH2单层，其在高对称动量点处具有DNL。
• 通过拓扑不变量和边缘态分析，验证这些DNL态的拓扑非平庸性。

提出的方法

• 在二维二分格子正方晶格上使用pz/px,y或pz/s轨道构建紧束缚模型，以模拟电子能带结构。
• 通过群论分析表明，DNL源于具有不同轨道对称性的能带反转，从而确保其对自旋轨道耦合的鲁棒性。
• 对Be2C和BeH2单层进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以验证模型预测。
• 计算Z2拓扑不变量，确认DNL相的非平庸拓扑性质。
• 分析有限尺寸体系中的边缘态，以确认DNL的拓扑保护特性。
• 绘制费米面，并在动量空间中确定节点线在Γ (0,0) 和 K (1/2,1/2) 点的位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管维度降低，二维二分格子正方晶格中能否实现狄拉克节点线？
• RQ2 在二维系统中，何种对称性机制可保护DNL不被自旋轨道耦合打开能隙？
• RQ3 哪些真实二维材料可承载DNL，其关键电子结构为何？
• RQ4 如何通过拓扑不变量和边缘态分析确认DNL相的拓扑性质？
• RQ5 在Be2C和BeH2等候选材料中，DNL在动量空间中的位置和形状如何？

主要发现

• 所提出的二维模型中，由于不同对称性轨道之间的能带反转，DNL对自旋轨道耦合具有鲁棒性。
• Be2C单层在动量空间的Γ点 (0,0) 处表现出以该点为中心的费米圆，表明在此高对称点存在DNL。
• BeH2单层在K点 (1/2, 1/2) 处具有以该点为中心的费米圆，证实此处存在DNL。
• 两种材料中的DNL相均为拓扑非平庸，表现为非零的Z2拓扑不变量。
• 在有限尺寸体系中观测到边缘态，证实DNL受到拓扑保护。
• 第一性原理计算验证了Be2C和BeH2单层均为实现二维狄拉克节点线半金属的可行候选材料。