[论文解读] Minimal models for topological Weyl semimetals

Timothy M. McCormick, Itamar Kimchi+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Apr 11, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出了时间反演对称性破缺与空间反演对称性破缺的类型-II拓扑外尔半金属（TWS）的最小晶格模型，以研究其体态能带结构和表面态。研究识别出拓扑保护的费米弧，并提出一种新型表面态——'轨道态'，其在从类型-I到类型-II TWS的相变过程中出现，并在类型-II相中持续存在，从而与平凡表面态相区别。

ABSTRACT

Topological Weyl semimetals (TWS) can be classified as type-I TWS, in which the density of states vanishes at the Weyl nodes, and type-II TWS where an electron and a hole pocket meet with finite density of states at the nodal energy. The dispersions of type-II Weyl nodes are tilted and break Lorentz invariance, allowing for physical properties distinct from those in a type-I TWS. We present minimal lattice models for both time-reversal-breaking and inversion-breaking type-II Weyl semimetals, and investigate their bulk properties and topological surface states. These lattice models capture the extended Fermi pockets and the connectivities of Fermi arcs. In addition to the Fermi arcs, which are topologically protected, we identify surface "track states" that arise out of the topological Fermi arc states at the transition from type-I to type-II with multiple Weyl nodes, and persist in the type-II TWS.

研究动机与目标

• 开发能够捕捉类型-II外尔半金属基本物理特性的最小晶格模型，包括扩展的费米口袋与外尔节点的连通性。
• 研究在时间反演或空间反演对称性破缺的类型-II TWS中，拓扑表面态（尤其是费米弧）的出现机制。
• 识别并表征一种新型表面态——'轨道态'，其源于类型-I与类型-II外尔相之间的拓扑相变。
• 阐明在存在扩展费米口袋的情况下，拓扑保护费米弧与平凡表面态之间的区别。

提出的方法

• 构建一个时间反演对称性破缺的类型-II TWS的最小'氢原子'模型，包含单对外尔节点以及孤立的电子/空穴口袋。
• 推广至包含每个外尔节点周围多个孤立费米口袋的'氦原子'模型，以实现拓扑保护的费米弧。
• 构建一个空间反演对称性破缺的四节点模型，以探索复杂的费米弧连通性及轨道态的出现。
• 利用动量空间中高斯面上的贝里曲率与陈数论证，确立表面态的拓扑保护性。
• 通过数值与拓扑分析表面态色散关系，以区分费米弧与轨道态。
• 调节模型参数以模拟从类型-I到类型-II外尔半金属相的转变，并追踪表面态的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 类型-II外尔半金属的最小晶格模型如何再现真实材料中观测到的扩展费米口袋与外尔节点连通性？
• RQ2 新识别出的'轨道态'在类型-II区域出现的起源及其拓扑性质是什么？
• RQ3 在存在多个外尔节点的情况下，费米弧与轨道态在色散关系、稳定性与拓扑保护性方面有何差异？
• RQ4 当费米口袋包围多个手性相反的外尔节点时，拓扑保护费米弧在何种条件下仍能保持存在？
• RQ5 能否基于表面态的连通性与色散关系，明确地将类型-II TWS中的表面态识别为拓扑态或平凡态？

主要发现

• 时间反演对称性破缺的类型-II TWS的最小'氢原子'模型无法支持拓扑保护的费米弧，表明孤立费米口袋本身不足以产生拓扑表面态。
• 在每个外尔节点周围具有孤立费米口袋的广义'氦原子'模型成功实现了拓扑保护的费米弧，证实了这些表面态的拓扑起源。
• 在空间反演对称性破缺的四节点模型中，费米弧连接手性相反的外尔节点，其连通性取决于所包围费米口袋的拓扑结构。
• 本文识别出'轨道态'为一类新型表面态，其在从类型-I到类型-II外尔半金属的相变过程中出现，并在类型-II相中持续存在，即使费米弧为拓扑平凡态亦然。
• 轨道态与费米弧简并，但缺乏拓扑保护，且在角分辨光电子能谱（ARPES）或密度泛函理论（DFT）数据中可能与费米弧极为相似，因此需通过细致分析加以区分。
• 本研究确立了仅当费米口袋包围净非零手性时，才能支持拓扑保护的费米弧；而净手性为零的费米口袋仅支持平凡表面态。