[论文解读] Strongly Ideal Robust Weyl Semimetals in Cubic Symmetry with Spatial-Inversion Breaking

R.Z. Wang, Jin-Zhu Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一类新型强理想、抗干扰的外尔半金属，存在于非中心对称立方晶体中，空间群为 F-43m，其中时间反演对称性与空间反演对称性破缺共同保护了动量空间中广泛分离的、手性相反的外尔节点。这种大分离导致长而拓扑保护的费米弧和表面态，使这些材料对晶格扰动具有高度稳定性，且在拓扑应用方面前景广阔。

ABSTRACT

We show that compounds in a family that possess time-reversal symmetry and share a non-centrosymmetric cubic structure with the space group F-43m (No. 216) host robust ideal Weyl semi-metal fermions with desirable topologically protected features. The candidates in this family are compounds with different chemical formulas AB2, ABC, ABC2, and ABCD and their Fermi levels are predominantly populated by nontrivial Weyl fermions. Symmetry of the system requires that the Weyl nodes with opposite chirality are well separated in momentum space. Adjacent Weyl points have the same chirality, thus these Weyl nodes would not annihilate each other with respect to lattice perturbations. As Fermi arcs and surface states connect Weyl nodes with opposite chirality, the large separation of the latter in momentum space guarantees the appearance of very long arcs and surface states. This work demonstrates the use of system symmetry by first-principles calculations as a powerful recipe for discovering new Weyl semi-metals with attractive features whose protected fermions may be candidates of many applications.

研究动机与目标

• 识别并表征非中心对称立方晶体中具有增强拓扑鲁棒性的新型外尔半金属家族。
• 理解空间反演破缺与时间反演对称性如何共同保护这些体系中的外尔费米子。
• 证明动量空间中手性相反的外尔节点的大分离可防止其在扰动下发生湮灭。
• 确立由于该分离，费米弧和表面态具有拓扑保护性且延伸范围广。
• 基于对称性提出一种设计原则，利用第一性原理计算预测具有理想物理特性的外尔半金属。

提出的方法

• 对空间群为 F-43m 的化学式为 AB2、ABC、ABC2 和 ABCD 的化合物进行了第一性原理电子结构计算。
• 分析聚焦于能带结构和贝里曲率，以识别外尔节点及其手性。
• 对称性分析证实，时间反演对称性与空间反演对称性的缺失共同强制了外尔节点在动量空间中的分离。
• 通过检查表面态谱及其与外尔节点的连接性，验证了费米弧和表面态的拓扑性质。
• 通过考察外尔节点在晶格扰动下的稳定性，评估了外尔费米子的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在非中心对称立方材料中稳定具有动量空间中大分离的外尔节点的外尔半金属？
• RQ2 时间反演对称性与空间反演破缺的结合如何保护外尔费米子免于湮灭？
• RQ3 这些体系中长而稳定的费米弧的拓扑起源是什么？
• RQ4 外尔节点和表面态在晶格畸变下具有多大程度的稳定性？
• RQ5 能否利用基于对称性的设计原则预测具有增强拓扑鲁棒性的新型理想外尔半金属？

主要发现

• F-43m 立方材料中的外尔节点由于时间反演对称性与空间反演对称性破缺的共同作用，在动量空间中具有稳健的分离。
• 相邻的外尔节点具有相同的手性，因此在晶格扰动下不会发生湮灭。
• 由于手性相反的外尔节点在动量空间中相距甚远，费米弧和表面态具有拓扑保护性且在大动量范围内延伸。
• 这些化合物的费米能级主要由非平凡的外尔费米子占据，表明其具有强拓扑特性。
• 第一性原理计算证实了理想外尔半金属行为的存在，具有高稳定性和鲁棒性，支持其在实验中的实现与应用。