[论文解读] Single-Dirac-cone Z2 topological insulator phases in distorted Li2AgSb-class and related quantum critical Li-based spin-orbit compounds

Heng-Fu Lin, L. Andrew Wray+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文識別出扭曲的Li₂AgSb為一種輕質、三維Z₂拓撲絕緣體，具有單一狄拉克 cones 表面態，其穩定性來自晶格扭曲所產生的能隙。透過包含自旋-軌道耦合的第一原理DFT計算，作者證明Li₂AgSb具有-1的Z₂不變量，確認其非平庸的拓撲相，而類似的化合物如Li₂CuSb則保持平凡，從而確立了一類可調控的拓撲材料新類別，具有潛在的量子裝置應用價值。

ABSTRACT

We have extended our new materials class search for the experimental realization of Z2 topological insulators from binary [Bi2Se3-class, Xia et.al., Nature Phys. 5, 398 (2009)] and the ternary [Half-Heusler class, Lin et.al., arXiv:1003.0155v1 (2010); arXiv:1003.2615v1 (2010)] series to non-Heusler Li-based ternary intermetallic series Li2M'X ($M'$=Cu, Ag, and Au, $X$=Sb and Bi) with CuHg2Ti-type structure. We discovered that the distorted-Li2AgSb is a lightweight compound harboring a 3D topological insulator state with Z2=-1 although the groundstate lies near a critical point, whereas the related Li2CuSb-type compounds are topologically trivial. Non-Heusler ternary Li2M'X series (with a number of variant compounds) we identified here is a new platform for deriving novel stoichiometric compounds, artificial quantum-well/heterostructures, nano-wires, nano-ribbons and nanocrystals. We have grown some of these bulk materials (experimental results will be reported separately).

研究动机与目标

• 識別具有強自旋-軌道耦合的新型化學 Stoichiometric、輕質三元化合物，其可實現非平庸的Z₂拓撲絕緣體相。
• 探討具有CuHg₂Ti型結構的Li₂M'X（M' = Cu, Ag, Au；X = Sb, Bi）家族的拓撲相圖。
• 確定晶格扭曲與化學調控如何穩定具有單一狄拉克 cones 表面態的完全能隙拓撲絕緣體態。
• 建立新材質平台，以工程化設計拓撲量子井、異質結構與奈米結構，適用於自旋電子學與量子運算。

提出的方法

• 使用WIEN2K程式包，以廣義梯度近似（GGA-PBE96）處理交換-關聯效應，進行第一原理密度泛函理論（DFT）計算。
• 自旋-軌道耦合以標量相對論本徵函數作為第二變分步驟納入，以捕捉自旋分裂效應。
• 沿布里渊區的高對稱路徑進行能帶結構計算，以分析Γ點附近的電子態。
• 透過檢視Γ點處Γ₆、Γ₇與Γ₈態的對稱性與佔有情形，特別著重於s軌域反轉，來確定拓撲不變量。
• 透過控制晶格常數（±3%）的變化模擬晶格扭曲，以探測從平凡相到非平凡相的轉變。
• 根據Γ點處能帶反轉的有無來評估Z₂不變量，其中Z₂ = -1表示非平庸的拓撲絕緣體。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使缺乏反演對稱性，Li₂M'X化合物家族是否仍可實現非平庸的Z₂拓撲絕緣體相？
• RQ2 晶格扭曲（如單軸或靜水壓）如何影響Li₂AgSb的拓撲相？
• RQ3 為何Li₂AgSb表現出單一狄拉克 cones 表面態，而Li₂CuSb雖具有類似晶體結構卻保持拓撲平凡？
• RQ4 Γ₆對稱態的佔有情形在決定這些材料中Z₂不變量時扮演何種角色？
• RQ5 能否透過晶格應變可逆地調控拓撲相，實現平凡與非平凡絕緣體態之間的切換？

主要发现

• 扭曲的Li₂AgSb被識別為輕質、三維Z₂拓撲絕緣體，其Z₂不變量為-1，確認其具有非平庸的拓撲序。
• Li₂AgSb的a與c晶格參數增加3%可解除Γ點的 degeneracy，並開啟完整的體能隙，從而穩定具有單一狄拉克 cones 表面態的拓撲絕緣體態。
• 該拓撲相對晶格應變極為敏感：若所有晶格常數減少3%，將反轉能帶結構，使Li₂AgSb轉變為拓撲平凡絕緣體。
• Li₂AgBi與Li₂AuBi因在L點附近導帶重疊，而具有本徵金屬性的非平庸拓撲態，但其仍保持拓撲非平庸。
• Li₂AgSb在Γ點附近的能帶結構顯示s軌域（Γ₆）態位於j=3/2（Γ₈）能帶之下，顯示其為導致Z₂ = -1不變量的能帶反轉。
• 本研究確立Li₂M'X系列為設計人工異質結構、量子井與奈米結構的多功能平台，其拓撲性質可調控。