[论文解读] Single pair of type-III Weyl points half-metals: BaNiIO$_6$ as an example

Guangqian Ding, Jianhua Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 11

一句话总结

本研究首次提出BaNiIO₆作为实验上可行的半金属，其具有单一类型-III外尔点对（SP-WPs），在时间反演不变动量（TRIM）点Γ和A处具有完整的自旋极化及电荷数|C| = ±2。第一性原理计算证实其在应变和电子关联作用下具有鲁棒性，且在(10ύb0)表面呈现自旋极化的双螺旋形费米弧，为自旋电子学和拓扑量子现象提供了最小拓扑结构平台。

ABSTRACT

The realization of Weyl systems with the minimum nonzero number of Weyl points (WPs) and full spin polarization remains challenging in topology physics and spintronic. In this study, for the first time, we used first-principle calculations and symmetry analysis to demonstrate that BaNiIO$_6$, a dynamically and thermodynamically stable half-metallic material, hosts fully spin-polarized single-pair WPs (SP-WPs) with a charge number ($\cal{C}$) of $\pm$2 and a type-\uppercase\expandafter{ omannumeral3} band dispersion around the Fermi level. Moreover, the fully spin-polarized SP-WPs induce double-helicoid Fermi arcs on the (10$\overline{1}$0) surface. The half-metallic state and the spin-polarized SP-WPs are robust to uniform strains (from -10\% to +8\%) and on-site Hubbard-Coulomb interactions (from 0 eV to 6 eV). When +9 % or +10 % uniform strain is applied to the BaNiIO$_6$ system, it hosts six additional type-\uppercase\expandafter{ omannumeral2} WPs with $\lvert{\cal{C}} vert=1$ in the three-dimensional Brillouin zone in addition to the two type-\uppercase\expandafter{ omannumeral3} WPs with $\lvert{\cal{C}} vert=2$. We hope that this study will motivate future research into SP-WPs half-metals.

研究动机与目标

• 实现具有最少外尔点数（两个）和完全自旋极化的外尔半金属，克服现有体系中存在多个外尔点的局限性。
• 识别一种可承载自旋极化外尔点的半金属材料，其在外部扰动（如应变和电子关联）下具有鲁棒性。
• 证明在自旋轨道耦合可忽略的铁磁半金属中，每个自旋通道可实现类似无自旋的外尔物理，从而开启新的拓扑平台。
• 提供一种具体、动力学和热力学稳定的材料（BaNiIO₆），以实验验证类型-III SP-WPs及其独特表面态。

提出的方法

• 采用包含自旋极化和自旋轨道耦合（SOC）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得电子能带结构及外尔点特性。
• 通过群论对称性分析，确定空间群（P312，编号149）及承载外尔点的TRIM点位置（Γ和A）。
• 利用声子色散关系和从头算分子动力学（AIMD）模拟，验证BaNiIO₆的动力学稳定性。
• 施加从-10%到+10%的均匀应变以及从0到6 eV的局域Hubbard-U，测试半金属性和外尔点的鲁棒性。
• 通过沿(10ύb0)表面路径及等能切片的表面态计算，映射表面态，可视化自旋极化的费米弧。
• 借鉴先前关于非磁性无自旋体系的理论工作（参考文献add29），指导在自旋轨道耦合可忽略的铁磁半金属中寻找SP-WPs。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种半金属材料，可承载一对具有完全自旋极化且拓扑复杂度最小的外尔点？
• RQ2 在稳定、铁磁的半金属中，是否存在|C| = ±2的类型-III外尔点，且对应变和电子关联具有鲁棒性？
• RQ3 半金属中的自旋极化外尔点是否能诱导出与非磁性体系不同的、完全自旋极化的独特表面费米弧？
• RQ4 在无对称性强制简并的自旋自由度铁磁体系中，是否可实现最少数量的外尔点（两个）？
• RQ5 当自旋轨道耦合可忽略时，铁磁半金属中自旋向上和自旋向下的能带是否可视为解耦的无自旋体系，以实现外尔物理？

主要发现

• BaNiIO₆在TRIM点Γ和A处存在一对类型-III外尔点（WP），|C| = ±2，位于自旋向上通道的费米能级附近。
• 外尔点完全自旋极化，自旋向下通道无贡献，实现100%自旋极化及半金属性质。
• 系统在(10ύb0)表面呈现双螺旋形费米弧，其完全自旋极化源于外尔点的自旋极化特性。
• 半金属性态和SP-WPs在-10%至+8%的均匀应变以及0至6 eV的局域Hubbard-U作用下保持稳定。
• 在+9%和+10%的均匀应变下，系统额外生成六个类型-II外尔点（|C| = 1），同时保留原有的两个类型-III外尔点，使外尔点总数增至八个。
• 外尔点的自旋极化特性使得自旋向上通道可视为无自旋体系，从而可应用先前的理论框架（参考文献add29）设计新型SP-WP半金属。