[论文解读] Giant enhancement of Berry-dipole at topological phase transitions in BiTeI

Jorge I. Facio, D. V. Efremov+4 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文表明，在巨Rashba材料BiTeI中，通过压力驱动的拓扑相变，经历外尔半金属相，可在材料的极轴方向诱导贝里曲率偶极矩的极大增强。从头算计算揭示，贝里偶极矩在 trivial 与拓扑绝缘体相之间符号反转，并在临界点处达到峰值，使非线性霍尔电导率提高两个多数量级。

ABSTRACT

Transitions between topologically distinct electronic states have been predicted in different classes of materials and observed in some. A major goal is the identification of measurable properties that directly expose the topological nature of such transitions. Here we focus on the giant-Rashba material bismuth tellurium iodine (BiTeI) which exhibits a pressure-driven phase transition between topological and trivial insulators in three-dimensions. We demonstrate that this transition, which proceeds through an intermediate Weyl semi-metallic state, is accompanied by a giant enhancement of the Berry curvature dipole which can be probed in transport and optoelectronic experiments. From first-principles calculations, we show that the Berrry-dipole --a vector along the polar axis of this material-- has opposite orientations in the trivial and topological insulating phases and peaks at the insulator-to-Weyl critical points, at which the nonlinear Hall conductivity can increase by over two orders of magnitude.

研究动机与目标

• 识别三维材料中拓扑相变的可观测特征。
• 研究压力下BiTeI中贝里曲率偶极矩在拓扑相变中的作用。
• 建立拓扑相变与实验可测输运及光电响应之间的直接联系。
• 探索外尔半金属态作为 trivial 与拓扑绝缘体之间相变中间态的出现机制。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）进行从头算电子结构计算，模拟不同压力下BiTeI的性质。
• 通过动量空间中的贝里连接和波函数导数计算贝里曲率偶极矩。
• 分析非线性霍尔电导率随压力的变化，以关联拓扑相变。
• 识别相图中贝里偶极矩达到峰值且发生符号反转的临界点。
• 利用对称性与能带结构分析，确认相变过程中外尔半金属态的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BiTeI的拓扑相变过程中，贝里曲率偶极矩如何演化？
• RQ2 BiTeI的 trivial 与拓扑绝缘体相中，贝里偶极矩的大小和符号分别是什么？
• RQ3 贝里偶极矩在哪些压力点达到最大值？这与非线性霍尔响应有何关联？
• RQ4 中间的外尔半金属相在调制贝里偶极矩中起什么作用？

主要发现

• 贝里曲率偶极矩在BiTeI的 trivial 与拓扑绝缘体相之间发生符号反转。
• 贝里偶极矩在绝缘体到外尔半金属相变的临界点处达到最大值，表明拓扑响应达到峰值。
• 在临界相变点，非线性霍尔电导率提高超过两个数量级。
• 贝里偶极矩的巨量增强局限于BiTeI的极轴方向，与强自旋-轨道耦合及Rashba分裂一致。