[论文解读] Topological Nodal-line Semimetals in Two Dimensions with time-reversal symmetry breaking

Chengwang Niu, Patrick M. Buh+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一类新型二维拓扑节点线半金属（2D TNLSs），存在于Na3Bi三原子层和Na2CrBi三原子层中，其中通过本征磁性实现时间反演对称性破缺——无需外加磁场——即使存在自旋轨道耦合也能稳定闭合的节点线。节点线受晶格镜像对称性保护，其破缺会诱导拓扑相变至量子反常霍尔绝缘体（QAHI），其陈数𝒞=1。预测存在强自旋霍尔效应，凸显其在自旋电子学中的应用潜力。

ABSTRACT

Topological nodal-line semimetals (TNLSs) exhibit exotic physical phenomena due to a one-dimensional (1D) band touching line, rather than discrete (Dirac or Weyl) points. While so far proposed two-dimensional (2D) TNLSs possess closed nodal lines (NLs) only when spin-orbit coupling (SOC) is neglected, here using Na$_3$Bi trilayers as an example, we show that 2D TNLSs can been obtained from topological (crystalline) insulators (TI/TCI) by time-reversal symmetry breaking even in the presence of SOC. We further reveal that these obtained NLs are protected by crystalline mirror symmetry, while a mirror symmetry breaking perturbation opens a full gap thus giving rise to a phase transition from 2D TNLS to a quantum anomalous Hall insulator (QAHI). We thereby uncover a close correlation between various topological phases. Remarkably, a strong spin Hall effect, important for transport applications, is predicted in 2D TNLS. Finally, a Na$_2$CrBi trilayer is proposed to realize the 2D TNLS without extrinsic magnetic field. Our work not only proposes a new strategy for realizing 2D TNLSs with truely closed NLs, but also reveals potential applications of TNLS in spintronics.

研究动机与目标

• 识别在自旋轨道耦合（SOC）存在下实现真正闭合节点线的二维拓扑节点线半金属（2D TNLSs）的机制，这是先前提案中无法实现的。
• 探讨通过本征磁性实现时间反演对称性破缺在无外加磁场条件下稳定2D TNLSs的作用。
• 研究在镜像对称性破缺时，2D TNLS向量子反常霍尔绝缘体（QAHI）的拓扑相变过程。
• 评估2D TNLSs中的自旋霍尔效应，并评估其在自旋电子学应用中的潜力。

提出的方法

• 使用FLEUR代码进行含自洽自旋轨道耦合的密度泛函理论（DFT）计算，用于Na3Bi和Na2CrBi三原子层的电子结构计算。
• 通过wannier90代码构建最大局域化Wannier函数（MLWFs），以生成精确的能带结构建模的紧束缚哈密顿量。
• 应用有效磁场（如σz·B⊥）以模拟时间反演对称性破缺并研究相变行为。
• 计算陈数和反常霍尔电导率（σxyA），以识别QAHI相中的拓扑序。
• 分析贝里曲率和纳米带几何中的边缘态，以确认非平庸拓扑性质。
• 研究在自旋轨道耦合和对称性约束（特别是镜像对称性，z → -z）下节点线的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在自旋轨道耦合存在下实现真正闭合节点线的二维拓扑节点线半金属？
• RQ2 本征磁性（无外加磁场）如何诱导并稳定如Na3Bi和Na2CrBi等材料中的2D TNLS？
• RQ3 在自旋轨道耦合下，晶格镜像对称性在保护2D TNLS中节点线方面起什么作用？
• RQ4 当镜像对称性被破坏时，会发生何种拓扑相变？其如何导致量子反常霍尔绝缘体的形成？
• RQ5 2D TNLSs中的自旋霍尔效应的大小和起源是什么？其能否被用于自旋电子学应用？

主要发现

• 在Na3Bi三原子层中，即使存在自旋轨道耦合，晶格镜像对称性（z → -z）仍能稳定2D TNLS中的闭合节点线。
• 当镜像对称性被破坏时，2D TNLS发生相变，形成量子反常霍尔绝缘体（QAHI），其能隙打开，陈数为𝒞=1。
• QAHI相表现出量子化的反常霍尔电导率σxyA = e²/h，该结果由陈数为1及纳米带计算中出现的螺旋边缘态所证实。
• 预测2D TNLSs中存在强自旋霍尔效应，表明其在自旋电子学器件中具有高效生成自旋流的潜力。
• 在Na2CrBi三原子层中，本征铁磁性（每单元晶胞5 μB）和面外磁各向异性（能量低5.2 meV）可在无外加磁场下稳定节点线。
• 在Na2CrBi中，即使存在自旋轨道耦合，节点线仍保持无能隙，其在节点附近呈现线性能带色散，并在镜像平面z=0上投影为节点线。