[论文解读] Theory of Weyl orbital semimetals and predictions of several materials classes

Kapildeb Dolui, Tanmoy Das|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文提出了一类新型外尔能带半金属——外尔轨道半金属，其中外尔和狄拉克节点源于无自旋-轨道耦合条件下的轨道简并与电子态的轨道纹理反转。通过第一性原理计算，作者预测了四类材料（V₃S₄、NiTi₃S₆、BLi、PbO₂）可容纳高费米速度的外尔费米子，其速度最高可达约2×10⁶ m/s，甚至超过石墨烯，且具备实现轨道电子学与量子轨道霍尔效应的潜力。

ABSTRACT

Graphene, topological insulators, and Weyl semimetals are three widely studied materials classes which possess Dirac or Weyl cones arising from either sublattice symmetry or spin-orbit coupling. In this work, we present a theory of a new class of bulk Dirac and Weyl cones, dubbed Weyl orbital semimetals, where the orbital polarization and texture inversion between two electronic states at discrete momenta lend itself into protected Dirac or Weyl cones without spin-orbit coupling. We also predict several families of Weyl orbital semimetals including V$_3$S$_4$, NiTi3S6, BLi, and PbO$_2$ via first-principle band structure calculations. We find that the highest Fermi velocity predicted in some of these materials is even larger than that of the existing Dirac materials. The synthesis of Weyl orbital semimetals will not only expand the territory of Dirac materials beyond the quintessential spin-orbit coupled systems and hexagonal lattice to the entire periodic table, but it may also open up new possibilities for orbital controlled electronics or `orbitronics'.

研究动机与目标

• 开发一种通用理论，用于描述由轨道对称性保护而非自旋-轨道耦合的体相狄拉克与外尔锥。
• 识别在轨道极化与具有奇动量依赖性的轨道间跃迁作用下，可形成稳定外尔节点的材料体系。
• 预测具有高费米速度与最小自旋-轨道耦合的新型外尔半金属候选材料。
• 探索这些材料在轨道电子学与量子轨道霍尔效应方面的潜在应用。
• 通过声子谱与晶格能计算验证材料的稳定性。

提出的方法

• 构建不包含自旋-轨道耦合的多带紧束缚模型，包含至次近邻的轨道内与轨道间跃迁。
• 通过强制能带反转与奇宇称轨道间跃迁，构建低能有效k·p哈密顿量，从而实现外尔节点的形成。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算能带结构，并验证候选材料中存在外尔节点。
• 进行声子谱计算，评估所预测材料的晶格动力学稳定性。
• 计算晶格能，评估所预测外尔轨道半金属相的热力学稳定性。
• 分析轨道特征与费米速度，识别具有极高载流子迁移率的材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔节点是否可在无自旋-轨道耦合的体相材料中形成，仅依赖轨道对称性与能带反转？
• RQ2 何种特定轨道构型与跃迁配置可在三维晶格中形成稳定且受保护的外尔节点？
• RQ3 周期表中的哪些材料可容纳此类轨道驱动的外尔半金属相？
• RQ4 这些材料中的预测费米速度是多少？与石墨烯及其他狄拉克材料相比如何？
• RQ5 这些材料是否可支持如轨道电子学或量子轨道霍尔效应等新型电子现象？

主要发现

• 作者预测了四类新型外尔轨道半金属：V₃S₄、NiTi₃S₆、BLi与PbO₂，均不具有显著的自旋-轨道耦合。
• 在BLi中，外尔费米子的速度可达约2×10⁶ m/s，超过石墨烯及现有狄拉克材料。
• 这些材料中的外尔节点由轨道对称性保护，源于具有奇动量依赖性的偶宇称与奇宇称轨道之间的能带反转。
• 声子谱计算证实所有预测材料均具有动力学稳定性，支持其在实验中合成的可能性。
• 晶格能计算表明具有热力学稳定性，其中NiTi₃S₆与V₃S₄的晶格能分别为-12.30 eV与-9.27 eV，尤为有利。
• 通过包含与不包含自旋-轨道耦合的能带结构计算，确认外尔节点处无显著自旋-轨道耦合，仅出现微小能隙，从而验证了轨道对称性对拓扑保护的合理性。