[论文解读] Physical properties, electronic structure, and strain-tuned monolayer of the weak topological insulator RbTi3Bi5 with Kagome lattice

Ying Zhou, Long Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究识别出RbTi3Bi5为具有Ti-Kagome晶格的弱拓扑绝缘体，其表现出非超导金属行为、强准二维特性，且电子性质可通过双轴应变调控。第一性原理计算证实了(100)面上无能隙表面态的存在，且与实验能带结构高度一致，凸显其在二维拓扑材料中探索奇异量子态的潜力。

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs) with a V-Kagome lattice acting as a fertile platform to investigate geometric frustration, electron correlation, superconductivity, and nontrivial band topology, have attracted tremendous attention. Here we reported the structure and properties of ATi3Bi5 (A = Rb, Cs) family with a Ti-Kagome lattice, specifically focusing on the electronic structure and nontrivial band topology of RbTi3Bi5. ATi3Bi5 (A = Rb, Cs) is found to be non-superconducting metal with strong quasi-two-dimensional feature, moderate electron correlation, and small Pauli paramagnetism. Based on first principles calculations, RbTi3Bi5 is determined to be a weak topological insulator with gapless surface states along (100) plane, and the electronic band structure along (001) plane is in great agreement with experimentally observed one. In particular, the electronic properties of the RbTi3Bi5 monolayer can be efficiently tuned by a biaxial strain according to calculation, with its lower saddle points coming from Kagome lattice approaching the Fermi level. These results highlight ATi3Bi5 (A = Rb, Cs) with Ti-Kagome lattice is a new Kagome metal to explore nontrivial band topology and exotic phases.

研究动机与目标

• 研究具有Ti-Kagome晶格的ATi3Bi5（A = Rb, Cs）的物理与电子性质。
• 利用第一性原理计算确定RbTi3Bi5的拓扑性质。
• 探究单层RbTi3Bi5在双轴应变作用下电子结构的可调性。
• 确立RbTi3Bi5作为研究非平凡能带拓扑与关联电子现象的新平台。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算分析RbTi3Bi5的电子结构与能带拓扑性质。
• 利用对称性指标与表面态计算评估(100)面上无能隙表面态的存在。
• 在RbTi3Bi5单层中施加双轴应变，以探测电子能带结构与费米能级接近程度的变化。
• 将沿(001)方向的实验能带结构数据与计算结果进行对比，以验证理论预测。
• 采用中等强度关联参数评估电子关联效应，以模拟材料的行为。
• 利用拓扑不变量与对称性分析，将RbTi3Bi5归类为弱拓扑绝缘体。

实验结果

研究问题

• RQ1 RbTi3Bi5是否为拓扑绝缘体？若是，其由何种类型的拓扑不变量表征？
• RQ2 RbTi3Bi5的电子能带结构与沿(001)方向的实验观测结果如何比较？
• RQ3 能否通过机械应变有效调控RbTi3Bi5单层的电子性质？
• RQ4 Ti-Kagome晶格在实现非平凡能带拓扑与表面态中发挥何种作用？
• RQ5 电子关联与准二维特性如何影响该材料的物理性质？

主要发现

• 通过对称性与拓扑不变量分析，确认RbTi3Bi5为弱拓扑绝缘体，且在(100)面上存在无能隙表面态。
• 沿(001)方向计算得到的RbTi3Bi5电子能带结构与实验测量结果高度一致。
• RbTi3Bi5单层在双轴应变下表现出可调的电子性质，较低的鞍点趋近费米能级。
• 该材料表现出强准二维特性、中等电子关联效应与微弱的泡利顺磁性，未观测到超导性。
• 具有Ti-Kagome晶格的ATi3Bi5（A = Rb, Cs）被确立为研究非平凡能带拓扑与奇异量子态的新平台。
• RbTi3Bi5中的Ti-Kagome晶格为研究几何阻挫与关联电子效应提供了有利环境。