[论文解读] High-throughput Calculations of Antiferromagnetic Topological Materials From Magnetic Topological Quantum Chemistry

Yuanfeng Xu, Luis Elcoro+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究基于磁性能带理论与磁性拓扑量子化学（MTQC），对来自比尔巴鄂磁性材料数据库的549种非铁磁材料进行了高通量从头算计算。通过LDA+U方法计算能带结构，并分析拓扑不变量与受阻原子极限，识别出130种磁性拓扑材料，数量是此前已知的10倍。

ABSTRACT

Using magnetic band theory and topological indices obtained from Magnetic Topological Quantum Chemistry (MTQC), we have performed the first high-throughput calculations of 549 magnetic topological materials and have discovered 130 magnetic enforced semimetals and topological insulators, thereby enhancing by a factor of 10 the number of known magnetic topological materials. We use as our starting-point the Bilbao Magnetic Material Database, containing 549 non-ferromagnetic compounds whose magnetic structure and symmetry group have been painstakingly deduced from neutron-scattering experiments. This knowledge is crucial for correct {\it ab initio} calculations of the materials' band structure, which we have performed for each of those compounds - including complete phase diagrams at different values of Hubbard potential in LDA+U. Using an in-house code to be made publicly available for finding the magnetic co-representations at high symmetry points, we then feed this data into the topological machinery of MTQC to determine the topological materials, as well as the obstructed atomic limits. We then pick several candidates for showcasing new topological physics and analyze the topological trends in the materials upon varying interactions.

研究动机与目标

• 系统识别基于实验测定磁结构的磁性拓扑材料。
• 通过扩展材料数据库，克服已知磁性拓扑绝缘体与半金属稀缺的问题。
• 应用磁性拓扑量子化学（MTQC）对非铁磁材料中的拓扑相进行分类。
• 研究电子关联性（通过Hubbard U参数）在调控磁性材料拓扑性质中的作用。
• 开发并发布用于在高对称点计算磁性共表示的内部代码。

提出的方法

• 利用包含549种具有实验测定磁空间群的非铁磁化合物的比尔巴鄂磁性材料数据库。
• 使用LDA+U方法进行从头算能带结构计算，通过调节Hubbard U值以模拟电子关联效应。
• 开发内部代码，用于在布里渊区高对称点计算磁性共表示。
• 应用磁性拓扑量子化学（MTQC）的拓扑分类框架，确定拓扑不变量与受阻原子极限。
• 分析所得能带结构，识别拓扑绝缘体、半金属以及具有受阻原子构型的材料。
• 选取代表性候选材料，详细分析电子关联性变化下的拓扑趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子关联效应作用下，哪些非铁磁磁性材料表现出拓扑电子态？
• RQ2 磁空间群对称性与磁性共表示如何影响拓扑相的出现？
• RQ3 受阻原子极限在多大程度上可预测磁性材料中的拓扑半金属性？
• RQ4 Hubbard U参数的变化如何影响磁性材料的拓扑分类？
• RQ5 基于MTQC的高通量分析能否显著扩展已知磁性拓扑材料的集合？

主要发现

• 本研究识别出130种磁性拓扑材料，使已知此类化合物的数量增加了十倍。
• 在分析的549种材料中，130种根据拓扑不变量与受阻原子极限被分类为拓扑绝缘体或半金属。
• 通过LDA+U引入电子关联性后，能带拓扑结构发生显著变化，表明关联效应对准确进行拓扑分类至关重要。
• 所开发的内部代码成功实现了在高对称点的磁性共表示计算，使系统性拓扑分析成为可能。
• 若干候选材料在不同Hubbard U值下均表现出稳健的拓扑特征，表明其具有可调的拓扑相。
• 结果表明，磁性对称性与电子关联性共同决定了非铁磁材料中的拓扑行为。