[论文解读] MoTe2: Weyl and Line Node Topological Metal

Zhijun Wang, Dominik Gresch+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文表明，MoTe2 在其低温正交相中，其费米能级附近同时存在二型外尔点和镜像对称性保护的节点线，从而实现复杂的拓扑半金属态。从头计算揭示了应变驱动的拓扑相变，且在无应变条件下，该材料恰好表现出两个可观测的表面费米弧，这与时间反演对称性一致的最小值相符。

ABSTRACT

Topological metals exhibit unremovable degeneracies in the band structure close to the Fermi level. These degeneracies can come in many types, the most basic of which are point (Weyl) and line nodes, and are associated with a wide range of phenomena from chiral anomalies to Fermi arcs. Here we show that MoTe2, in its low-temperature orthorhombic structure, realizes both type-II Weyl points and nodal lines close to the Fermi level, in a complex topological band structure. The Weyl nodes occur between several different bands, and the nodal lines are protected by mirror symmetry. We present an X-ray diffraction study of this new orthorhombic phase of MoTe2 taken at 100 K, and experimentally determine its lattice parameters. Using this input in ab initio and topological calculations, we predict a series of strain-driven topological phase transitions in this compound, opening a wide range of possible experimental realizations of different topological semimetal phases. Crucially, with no strain, the number of observable surface Fermi arcs in this material is 2 - the smallest number of arcs consistent with time-reversal symmetry.

研究动机与目标

• 确定并表征 MoTe2 低温正交相中的拓扑电子态。
• 确定对称性与应变在稳定外尔点和节点线中的作用。
• 预测 MoTe2 中应变诱导的拓扑相变。
• 确定在该体系中与时间反演对称性一致的可观测表面费米弧的最小数量。

提出的方法

• 使用 100 K 下的 X 射线衍射测量 MoTe2 正交相的晶格常数。
• 利用实验测得的晶格常数进行从头算电子结构计算。
• 应用拓扑不变量与能带结构分析以识别外尔点和节点线。
• 对称性分析证实节点线由镜像对称性保护。
• 建模应变工程以预测拓扑相变。
• 在时间反演对称性约束下分析表面费米弧计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 MoTe2 的低温正交相中，费米能级附近存在哪些拓扑态？
• RQ2 MoTe2 中的外尔点和节点线如何通过对称性和电子结构稳定？
• RQ3 应变对 MoTe2 拓扑相有何影响？
• RQ4 在时间反演对称性下，MoTe2 中可观测表面费米弧的最小数量是多少？
• RQ5 应变能否驱动 MoTe2 中的拓扑相变，从而实现可调的拓扑半金属相？

主要发现

• MoTe2 在其低温正交相中，其费米能级附近同时存在二型外尔点和镜像对称性保护的节点线。
• 外尔节点由多个能带形成，表明存在复杂的能带连通性。
• MoTe2 中的节点线由镜像对称性实现拓扑保护。
• 应变工程可驱动 MoTe2 中的多种拓扑相变，从而实现多种拓扑半金属相的可及性。
• 在无应变条件下，MoTe2 恰好支持两个可观测的表面费米弧，这是时间反演对称性允许的最小数量。
• 在 100 K 测得的实验晶格常数为从头算与拓扑分析提供了可靠的输入。