[论文解读] Hybrid Dirac Semimetal in CaAgBi Materials Family

Cong Chen, Shan‐Shan Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 40

一句话总结

本文提出在具有填隙纤锌矿结构的CaAgBi族材料中存在一种混合狄拉克半金属相，该相同时包含三种类型的狄拉克点——在$k_z$-轴上存在类型-I和类型-II的非简并狄拉克点，以及在布里渊区边界处的一个本征狄拉克点，这些狄拉克点受到$C_{6v}$和非平移对称性的保护。由于反演对称性被破坏，能带简并仅在$k_z$-轴上保持，从而实现手性载流子的分裂以及在弹道p-n结处的双负折射，表现出独特的拓扑表面态，包括不同表面上的狄拉克锥态和费米弧态。

ABSTRACT

Based on their formation mechanisms, Dirac points in three-dimensional systems can be classified as accidental or essential. The former can be further distinguished into type-I and type-II, depending on whether the Dirac cone spectrum is completely tipped over along certain direction. Here, we predict the coexistence of all three kinds of Dirac points in the low-energy band structure of CaAgBi-family materials with a stuffed Wurtzite structure. Two pairs of accidental Dirac points reside on the rotational axis, with one pair being type-I and the other pair type-II; while another essential Dirac point is pinned at the high symmetry point on the Brillouin zone boundary. Due to broken inversion symmetry, the band degeneracy around accidental Dirac points is completely lifted except along the rotational axis, which may enable the splitting of chiral carriers at a ballistic p-n junction with a double negative refraction effect. We clarify their symmetry protections, and find both the Dirac-cone and Fermi arc topological surface states.

研究动机与目标

• 识别并表征一种新型混合狄拉克半金属相，该相在单一材料体系中同时容纳所有三种类型的狄拉克点。
• 阐明具有非中心对称$P6_3mc$结构的CaAgBi族材料中非简并和本征狄拉克点的对称性保护机制。
• 探讨破缺反演对称性对狄拉克半金属中能带简并及手性载流子动力学的影响。
• 研究不同晶面表面的拓扑表面态，包括费米弧和狄拉克锥表面能带。
• 展示由于能带分裂，通过p-n结处的双负折射实现电子光学调控的潜力。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究具有填隙纤锌矿结构的CaAgBi族材料的电子能带结构。
• 基于$C_{6v}$点群和非平移空间群$P6_3mc$进行对称性分析，以分类和保护狄拉克点。
• 应用威尔逊环路方法计算$k_z=0$和$k_z=\pi$平面上的二维$\mathbb{Z}_2$拓扑不变量，以确认费米弧表面态的存在。
• 提出角分辨光电子能谱（ARPES）作为实验探测手段，用于检测体相狄拉克点和表面态。
• 开展弹道输运模拟，研究在$x$-$y$平面内p-n结处的载流子动力学及负折射效应。
• 通过改变偏置电压和入射角，分析能带分裂和手性载流子传输，以实现手性态的空间分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种材料能否同时容纳三种类型的狄拉克点——类型-I、类型-II非简并以及本征狄拉克点？
• RQ2 缺乏反演对称性如何影响狄拉克半金属中能带简并及手性载流子输运？
• RQ3 在不同晶面表面会涌现出哪些拓扑表面态，它们又如何受到保护？
• RQ4 在此体系中，p-n结处能否实现双负折射及手性载流子分离？
• RQ5 如何通过掺杂或材料选择来探测并选择性地访问不同的狄拉克点？

主要发现

• CaAgBi族材料在$k_z$-轴上存在两对非简并狄拉克点：一对具有类型-I色散关系，另一对具有类型-II色散关系，二者均由$C_{6v}$对称性保护。
• 一个本征狄拉克点被钉扎在布里渊区边界处的高对称性A点上，受非平移对称性保护。
• 破缺反演对称性使非简并狄拉克点附近的能带简并被解除，仅在$k_z$-轴上保持简并，导致狄拉克能带完全分裂。
• 在弹道p-n结处，由于能带分裂，发生双负折射，通过调节偏置电压和入射角可实现手性载流子的空间分离。
• 在(001)表面观察到狄拉克锥表面态，而在(010)表面，费米弧连接投影的狄拉克点，其保护机制源于$k_z=0$平面上的$\mathbb{Z}_2 = 1$不变量。
• 该体系在具有相同结构的大量三元化合物家族中支持混合狄拉克半金属相，可通过掺杂或材料选择实现对不同狄拉克点的可调谐访问。