[论文解读] Prediction of Weyl semi-metallic phase in inversion-asymmetric BiSb

Sobhit Singh, Irais Valencia-Jaime+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过从头算计算预测了在反演不对称的BiSb中存在压力诱导的外尔半金属相。该相在4.0–6.0 GPa之间出现，包含12对具有相反手性的外尔点，导致电子和空穴费米面显著分离，并展现出新颖的拓扑输运特性。

ABSTRACT

Recent experimental realization of long sought Weyl fermions in non-magnetic crystals has greatly motivated condensed matter physicists to search for materials supporting Weyl fermions. Weyl fermions appear to be very promising for future electronics, often referred as Weyltronics. By means of first-principle calculations, we report a stoichiometric crystal structure of BiSb with broken space-inversion symmetry. This structure is insulating in bulk and has non-trivial band topology. We observe a pressure driven Weyl semi-metallic phase transition in this structure. The obtained Weyl semi-metallic phase exists in the $4.0 - 6.0$ GPa pressure range. We find that total 12 pairs of Weyl points, 12 monopoles and 12 antimonopoles, exist in the Brillouin zone. The Weyl points with opposite chirality are located at different energy values yielding separate electron and hole Fermi-surfaces. This produces novel topological transport properties in this system.

研究动机与目标

• 识别一种化学计量比、非磁性、反演不对称的BiSb晶体结构，其具有非平凡的能带拓扑性质。
• 研究静水压在BiSb中诱导拓扑相变的作用。
• 确定压力调制相中是否存在外尔费米子及其特性。
• 探索由分离的电子和空穴费米面所引起的拓扑输运特性。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟BiSb在不同静水压下的电子结构。
• 分析能带结构和贝里曲率，以识别外尔点及其拓扑性质。
• 计算陈数和威尔逊环，以确认体能带结构中的非平凡拓扑。
• 通过动量空间分析，绘制外尔点在布里渊区中的位置和手性。
• 评估费米面拓扑，以区分具有相反手性的电子和空穴口袋。
• 通过结构和电子优化，评估带隙和外尔点形成随压力的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 反演不对称的BiSb在常压下是否表现出非平凡的能带拓扑结构？
• RQ2 BiSb在何种压力范围内发生向外尔半金属相的转变？
• RQ3 布里渊区内存在多少对外尔点对，其手性如何？
• RQ4 在外尔半金属相中，电子和空穴费米面在空间和能量上是否分离？
• RQ5 由于非简并的费米面，会引发何种拓扑输运特性？

主要发现

• 在4.0–6.0 GPa压力范围内，预测了反演不对称BiSb中存在压力诱导的外尔半金属相。
• 该体系包含12对外尔点，对应于动量空间中的12个单极子和12个反单极子。
• 具有相反手性的外尔点位于不同的能级，导致电子和空穴费米面分离。
• 非平凡能带拓扑由非零贝里曲率和陈数得到证实。
• 常压下体相BiSb保持绝缘性，但在中等压力下转变为外尔半金属。
• 由于费米面的手性分离，该体系展现出新颖的拓扑输运现象。