[论文解读] Pressure-induced Topological Node-Line Semimetals in Alkaline-Earth Hexaborides XB6 (X=Ca, Sr, Ba)

Li‐Yong Gan, R. Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本论文通过第一性原理计算表明，在中等外部压力下，碱土金属六硼化物 XB6（X = Ca, Sr, Ba）在忽略自旋-轨道耦合（SOC）时，会经历拓扑相变，从平凡半导体转变为拓扑节点环半金属。该相变源于布里渊区X点处B的px/pz与py轨道之间的能带反演，形成三个受对称性保护的节点环，其上存在鼓头形表面态；当引入SOC后，系统打开极小的能隙（<4.8 meV），转变为Z2不变量为(1;111)的强拓扑绝缘体，使XB6成为实验研究拓扑节点环半金属的有前途候选材料。

ABSTRACT

Based on first-principles calculations, we reported that external pressure can induce topological phase transition in alkaline-earth hexaborides, XB6 (X=Ca, Sr, Ba). It was revealed that XB6 is transformed from trivial semiconductors to topological node-line semimetals under moderate pressures when spin-orbit coupling (SOC) is ignored. The band inversion between B px (pz) and py orbitals at X point is responsible for the formation of node-line semimetals. Three node-line rings around X point are protected by the combination of the time-reversal and spatial inversion symmetries, and the drumhead surface bands are obtained in the interiors of the projected node-line rings. When SOC is included, tiny gaps (&lt; 4.8 meV) open at the crossing lines, and the XB6 becomes strong topological insulators with Z2 indices (1;111). As the SOC-induced gap opening is negligible, our findings thus suggest ideal real systems for experimental exploration of the fundamental physics of topological node-line semimetals.

研究动机与目标

• 研究碱土金属六硼化物XB6在外部压力下的拓扑相变行为。
• 确定XB6是否因能带反演与对称性保护而可实现拓扑节点环半金属态。
• 评估自旋-轨道耦合（SOC）对系统拓扑性质的影响。
• 识别适合实验实现拓扑节点环半金属且SOC诱导能隙最小的候选材料。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究不同静水压下XB6的电子能带结构。
• 分析布里渊区X点处B的px/pz与py轨道之间的能带反演机制，以揭示节点环形成的拓扑起源。
• 利用时间反演对称性和空间反演对称性，证明节点环的拓扑保护特性。
• 开展表面态计算，确认在投影的节点环区域内存在鼓头形表面态。
• 系统性地引入自旋-轨道耦合（SOC），评估其在节点环交叉处打开能隙的影响。
• 计算Z2拓扑不变量，以在SOC存在时将系统分类为强拓扑绝缘体。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部压力能否诱导XB6（X=Ca, Sr, Ba）从平凡半导体转变为拓扑节点环半金属？
• RQ2 XB6在压力下节点环形成的根源是什么？哪些轨道参与了能带反演？
• RQ3 时间反演和空间反演对称性如何保护XB6中的节点环？
• RQ4 XB6中节点环交叉处SOC诱导的能隙大小是多少？
• RQ5 引入SOC后，系统是否转变为强拓扑绝缘体？其Z2不变量是多少？

主要发现

• 在中等压力下，当忽略自旋-轨道耦合时，XB6（X=Ca, Sr, Ba）从平凡半导体转变为拓扑节点环半金属。
• 该节点环半金属相源于布里渊区X点处B的px/pz与py轨道之间的能带反演。
• 围绕X点形成三个节点环，其拓扑保护由时间反演与空间反演对称性的共同作用实现。
• 在投影的节点环区域内观察到鼓头形表面态，证实了表面态的拓扑特性。
• 当引入SOC后，节点环交叉处打开极小能隙（<4.8 meV），系统转变为Z2不变量为(1;111)的强拓扑绝缘体。
• SOC诱导的能隙极小，使XB6成为实验观测拓扑节点环半金属的理想候选材料。