[论文解读] Influence of anisotropy, tilt and pairing of Weyl nodes: the Weyl semimetals TaAs, TaP, NbAs and NbP star

Davide Grassano, Olivia Pulci+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 56被引用 15

一句话总结

本研究通过从头算能带计算和模型哈密顿量，研究了非中心对称外尔半金属TaAs、TaP、NbAs和NbP的电子态、自旋态及拓扑性质。结果表明，外尔节点表现出强烈的各向异性和倾斜，其中W2节点的效应比W1节点更为显著，这显著改变了态密度，并破坏了传统的（反）平行自旋-波矢关系。节点成对导致复杂的自旋纹理以及节点间有限的Zak相位和缠绕数，证实了其拓扑本质。

ABSTRACT

By means of ab initio band structure methods and model Hamiltonians we investigate the electronic, spin and topological properties of four monopnictides crystallizing in bct structure. We show that the Weyl bands around a WP W1 or W2 possess a strong anisotropy and tilt of the accompanying Dirac cones. These effects are larger for W2 nodes than for W1 ones. The node tilts and positions in energy space significantly influence the DOS of single-particle Weyl excitations. The node anisotropies destroy the conventional picture of (anti)parallel spin and wave vector of a Weyl fermion. This also holds for the Berry curvature around a node, while the monopole charges are independent as integrated quantities. The pairing of the nodes strongly modifies the spin texture and the Berry curvature for wave vectors in between the two nodes. Spin components may change their orientation. Integrals over planes perpendicular to the connection line yield finite Zak phases and winding numbers for planes between the two nodes, thereby indicating the topological character.

研究动机与目标

• 理解各向异性和倾斜对外尔半金属中外尔费米子激发的影响。
• 研究节点成对如何影响自旋纹理及Zak相位、缠绕数等拓扑不变量。
• 利用从头算方法和有效模型哈密顿量，表征TaAs、TaP、NbAs和NbP的电子结构和拓扑性质。
• 阐明偏离理想狄拉克圆锥行为（特别是倾斜和各向异性）如何影响态密度和贝里曲率等物理可观测量。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）和自旋-轨道耦合的从头算密度泛函理论（DFT）计算电子能带结构。
• 使用非局域、全相对论赝势，包含标量相对论和自旋-轨道效应，以精确描述重元素。
• 将模型哈密顿量拟合至DFT结果，采用包含倾斜和各向异性费米速度的广义外尔哈密顿量描述外尔节点。
• 通过k·p理论线性化外尔点附近的能带色散，推导单节点分析的有效哈密顿量。
• 计算节点间平面的自旋纹理、贝里曲率及拓扑不变量（Zak相位、缠绕数）。
• 系统分析所有四种材料中节点位置、费米速度张量和倾斜矢量，以比较W1和W2节点。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔锥的各向异性和倾斜如何影响TaAs、TaP、NbAs和NbP中外尔费米子的自旋纹理和波矢-自旋对齐？
• RQ2 节点成对对动量空间中Zak相位和缠绕数等拓扑不变量有何影响？
• RQ3 W1和W2外尔节点的能量位置和倾斜如何影响单粒子态密度？
• RQ4 各向异性和倾斜的狄拉克锥在自旋-动量锁定和贝里曲率方面，与理想外尔费米子图像的偏离程度如何？
• RQ5 当外尔节点不在高对称点而是在动量空间中发生位移时，外尔半金属的拓扑性质如何变化？

主要发现

• W2外尔节点表现出比W1节点更强的各向异性和倾斜，其倾斜矢量和费米速度张量显著偏离各向同性。
• 各向异性和倾斜破坏了外尔费米子中传统的（反）平行自旋-波矢对齐，改变了其基本准粒子特性。
• 对外尔节点之间平面的贝里曲率积分得到有限的Zak相位和缠绕数，证实了节点间区域能带结构的拓扑本质。
• 手性相反且倾斜、各向异性的外尔节点成对导致复杂的自旋纹理变化，包括自旋分量的重新取向。
• 单粒子外尔激发的态密度强烈受外尔节点能量位置和倾斜的影响，尤其在W2节点处表现显著。
• 外尔节点位置被精确确定：TaAs中W1节点位于(0, 0.51, 0)，W2节点位于(0.02, 0.28, 0.59)（倒易晶格单位），其他材料中位置类似但略有偏移。