[论文解读] New magnetic topological materials from high-throughput search

Iñigo Robredo, Yuanfeng Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2024

Geological Modeling and Analysis被引用 4

一句话总结

本研究通过在 MAGNDATA 中新报告的 522 种共格磁结构上进行第一性原理计算，开展高通量计算搜索，识别出 250 种实验相关的拓扑非平庸材料——占分析集合的 47.89%——涵盖多种拓扑相，包括节线半金属、轴子绝缘体、外尔半金属以及具有自旋极化表面态的对称性保护半金属。

ABSTRACT

We conducted a high-throughput search for topological magnetic materials on 522 new, experimentally reported commensurate magnetic structures from MAGNDATA, doubling the number of available materials on the Topological Magnetic Materials database. This brings up to date the previous studies which had become incomplete due to the discovery of new materials. For each material, we performed first-principle electronic calculations and diagnosed the topology as a function of the Hubbard U parameter. Our high-throughput calculation led us to the prediction of 250 experimentally relevant topologically non-trivial materials, which represent 47.89% of the newly analyzed materials. We present five remarkable examples of these materials, each showcasing a different topological phase: Mn${}_2$AlB${}_2$ (BCSID 1.508), which exhibits a nodal line semimetal to topological insulator transition as a function of SOC, CaMnSi (BCSID 0.599), a narrow gap axion insulator, UAsS (BCSID 0.594) a 5f-orbital Weyl semimetal, CsMnF${}_4$ (BCSID 0.327), a material presenting a new type of quasi-symmetry protected closed nodal surface and FeCr${}_2$S${}_4$ (BCSID 0.613), a symmetry-enforced semimetal with double Weyls and spin-polarised surface states.

研究动机与目标

• 通过整合 MAGNDATA 中新报告的 522 种共格磁结构，扩展拓扑磁性材料数据库。
• 利用第一性原理电子结构计算，系统评估这些材料的拓扑性质。
• 研究自旋-轨道耦合（SOC）和 Hubbard U 参数对拓扑演化的影响。
• 识别出在实验上可实现的、具有鲁棒拓扑相的材料，以期用于未来量子器件应用。
• 提供一个全面、最新的拓扑磁性材料资源，包含完整的能带结构和拓扑诊断信息。

提出的方法

• 采用包含自旋-轨道耦合（SOC）和 Hubbard U 修正（DFT+U）的高通量密度泛函理论（DFT）计算，确定电子结构。
• 在一系列 Hubbard U 值范围内执行拓扑诊断，评估电子关联效应下拓扑相的稳定性。
• 利用拓扑磁性材料数据库交叉参考并验证预测的拓扑不变量。
• 应用对称性分析与能带结构分解，对拓扑相进行分类，包括节线、外尔点和闭合节线面。
• 采用 BCSID（能带结构不变量描述符）度量来量化拓扑鲁棒性，并区分 trivial 与 non-trivial 相。
• 将结果整合进一个公开、可访问的数据库，包含完整的能带结构和拓扑标签，以支持实验与理论后续研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋-轨道耦合和电子关联效应作用下，新报告的哪些磁性材料表现出非平庸的拓扑不变量？
• RQ2 Hubbard U 参数如何影响磁性材料中拓扑相的稳定性和性质？
• RQ3 在新分析的 522 种磁结构中，实现了哪些不同的拓扑相？它们在对称性和能带拓扑上如何区别？
• RQ4 是否可在实验报告的材料中识别出新型拓扑相，例如准对称性保护的闭合节线面？
• RQ5 对称性强制与自旋极化表面态在这些材料中在多大程度上共存？其对自旋电子学应用有何意义？

主要发现

• 本研究从分析的 522 种材料中识别出 250 种实验相关的拓扑材料，占数据集的 47.89%，显著扩展了已知的拓扑磁性材料范围。
• Mn₂AlB₂（BCSID 1.508）被发现随自旋-轨道耦合增强，经历从节线半金属到拓扑绝缘体的拓扑相变。
• CaMnSi（BCSID 0.599）被预测为窄带隙轴子绝缘体，具有量子化的磁电响应，潜在适用于拓扑量子计算。
• UAsS（BCSID 0.594）被识别为 5f 轨道外尔半金属，凸显 f 电子体系在实现拓扑态中的关键作用。
• CsMnF₄（BCSID 0.327）具有新型准对称性保护的闭合节线面，为此前未报道的拓扑结构。
• FeCr₂S₄（BCSID 0.613）表现出对称性强制的半金属态，具有双外尔费米子和自旋极化表面态，表明存在强自旋-动量锁定。