[论文解读] Large shift current, $π$ Zak phase and unconventional nature in Se and Te

Ruihan Zhang, Junze Deng+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究证明，三角晶系硒和碲表现出非传统的电子与声子能带结构，其特征为π Zak相位、具有非平庸实空间不变量δ₁@3b = −1的受阻原子绝缘体行为，以及在量子阱中产生大的位移电流。这些材料在(0001)表面上具有受阻的表面电子态与声子态，确立了其在电子与声子系统中双重非传统行为的原型地位。

ABSTRACT

Recently, unconventional materials (or obstructed atomic insulators) have attracted much attention owing to the unconventional feature of mismatch between Wannier centers and atomic positions. In this paper, we demonstrate that the trigonal selenium and tellurium host an unconventional nature in both electronic and phonon spectra. In electronic band structures, the band representation (BR) decomposition for occupied bands has to contain the essential BR of $A@3b$, and the real-space invariant is $δ_1@3b=-1$. The $π$ Zak phase suggests that the one-dimensional Se/Te chain is a chiral Su-Schrieffer-Heeger chain. The effective magnetism can be induced by $p$ states at ends. More importantly, a large shift current is obtained in Se quantum well. In addtion, in phonon spectra, three sets of phonon bands are well separated and assigned to $B@3b$, $B@3a$, and $A@3b$ BRs, respectively. Thus, the obstructed phonon states are predicted on the (0001) surface. As the prototypes of unconventional materials in both electronic and phonon spectra, our findings could create much interest in the study of obstructed surface electronic and phonon states in these novel materials.

研究动机与目标

• 研究三角晶系硒与碲中非传统电子与声子能带结构的特性。
• 确定这些材料在电子与声子谱中是否表现出受阻原子绝缘体（OAI）行为。
• 探索电荷与晶格动力学中拓扑及非平庸表面态的出现机制。
• 量化Se量子阱中的位移电流响应，并识别(0001)表面上的受阻声子模式。
• 确立Se与Te作为电子与声子系统中均具有双重非传统能带结构的原型材料。

提出的方法

• 采用基于对称性的能带表示（BR）分解方法，通过eBR/aBR工作流程对占据的电子与声子能带进行分类。
• 计算实空间不变量（RSI）δ₁@3b = −1，以确认电子结构中受阻原子绝缘体的特征。
• 沿c轴计算Zak相位，识别出π Zak相位，表明一维Se/Te链具有手性Su-Schrieffer-Heeger（SSH）链特性。
• 使用密度泛函理论（DFT）结合Quantum ESPRESSO软件包与IR2PH，计算声子模式及其不可约表示。
• 应用TQC与对称性指标框架，通过声子谱的BR分解识别受阻声子能带与表面态。
• 构建(0001)与(01̄10)表面超胞，以探测表面电子与声子态，包括能隙内的金属表面能带。

实验结果

研究问题

• RQ1 三角晶系Se与Te是否表现出具有受阻Wannier中心的非传统电子能带结构？
• RQ2 在一维Se/Te链中是否存在非平庸的Zak相位，表明其具有拓扑特性？
• RQ3 由于电子与空穴在不同界面处的空间分离，是否可在Se量子阱结构中产生大的位移电流？
• RQ4 Se与Te中的声子能带是否具有非传统特性，即其能带表示不等于平凡不可约表示的和？
• RQ5 由于能带表示不匹配，是否会在(0001)表面产生受阻表面声子模式？

主要发现

• Se与Te中占据的电子能带由基本能带表示A@3b表征，实空间不变量δ₁@3b = −1具有非平庸特性。
• 沿c轴的π Zak相位确认了一维Se/Te链为手性Su-Schrieffer-Heeger（SSH）链，支持其拓扑特性。
• 由于电子与空穴在不同界面处的空间分离，预测在Se量子阱中可产生大的位移电流，从而实现高光电流响应。
• 声子能带表示被分解为三组独立集合：B@3b、B@3a与A@3b，证实了非传统的声子能带结构。
• 预测在(0001)表面的频率带隙中存在受阻表面声子模式，其行为类似于电子表面态。
• 磁性构型分析表明，AFM-III为最稳定相，其J_b = 15.7 meV，J_a = −J_ab = 1.2 meV，与观测到的自旋有序结构一致。