[论文解读] Topological phase transitions in bulk

Stanislav Chadov, János Kiss+2 more|Sep 27, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文表明，即使在无序体系中，通过体相狄拉克锥也可识别由自旋-轨道耦合和晶体场等内部参数驱动的体材料中的拓扑相变。利用含相干势近似（CPA）的从头算计算，研究发现，在(Cd1−xZn x)(Po1−xSe x)和(Hg1−xZn x)(Te1−xSe x)等合金系列中，费米能级处出现狄拉克锥即标志拓扑相变，临界组成为x ≈ 0.72和x ≈ 0.63，分别对应于两种体系。

ABSTRACT

We consider the analogy between the topological phase transition which occurs as a function of spatial coordinate on a surface of a non-trivial insulator, and the one which occurs in the bulk due to the change of internal parameters (such as crystal field and spin-orbit coupling). In both cases the system exhibits a Dirac cone, which is the universal manifestation of topological phase transition, independently on the type of driving parameters. In particular, this leads to a simple way of determining the topological class based solely on the bulk information even for the systems with translational symmetry broken by atomic disorder or by strong electron correlations. Here we demonstrate this on example of the zinc-blende related semiconductors by means of the {\it ab-initio} fully-relativistic band structure calculations involving the coherent potential approximation (CPA) technique.

研究动机与目标

• 建立一种仅基于体电子结构识别拓扑绝缘体的方法，即使在平移对称性被破坏时亦可适用。
• 探究此前仅与表面关联的体相狄拉克锥是否可作为拓扑相变的普适特征。
• 仅通过体信息确定无序体系（如随机合金）的拓扑分类。
• 证明相干势近似（CPA）可实现对无序合金中平滑拓扑相变的建模。
• 以闪锌矿半导体（包括三元Heusler化合物）为模型体系，验证该方法在具有已知能带结构材料中的适用性。

提出的方法

• 执行包含自旋-轨道耦合和电子关联效应的全相对论从头算能带结构计算。
• 应用相干势近似（CPA）模拟(Cd1−xZn x)(Po1−xSe x)和(Hg1−xZn x)(Te1−xSe x)合金中的随机取代无序。
• 使用布洛赫-谱函数（BSFs）分析电子态，并在动量空间中识别狄拉克锥的出现。
• 追踪合金系列中能带色散及轨道特征（s-、p_{1/2}、p_{3/2}）的演化，以监测拓扑相变过程。
• 识别狄拉克锥在费米能级形成时的临界组分，该现象标志拓扑相变的发生。
• 沿从非平庸到平庸半导体的绝热路径比较能带结构的演化，以绘制相变区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 体相狄拉克锥的存在是否可作为无序体系中拓扑相变的可靠指标？
• RQ2 在平移对称性被破坏的情况下，仅从体电子结构在多大程度上可确定材料的拓扑分类？
• RQ3 拓扑相变的临界组分如何依赖于母体化合物中s-和p_{1/2}-态的能量位置？
• RQ4 相干势近似（CPA）在模拟随机合金中拓扑相变时发挥何种作用？
• RQ5 自旋-轨道耦合与晶体场分裂的变化如何驱动闪锌矿半导体中的拓扑相变？

主要发现

• (Cd1−xZn x)(Po1−xSe x)中拓扑相变的临界组分为x ≈ 0.72，此时在费米能级处形成清晰的狄拉克锥。
• 在(Hg1−xZn x)(Te1−xSe x)中，相变发生在x ≈ 0.63，具有明确的狄拉克锥，标志平庸与非平庸相之间的边界。
• 在(Cd1−xZn x)(Po1−xSe x)中，所有x < 0.72的合金均为拓扑非平庸且能隙为零，而x > 0.72的合金则为平庸且带隙逐渐增大。
• 体相狄拉克锥源于自旋-轨道耦合与晶体场效应共同作用下s-与p_{1/2}-对称态之间的能级交叉。
• 沿绝热路径的能带结构演化表明，CdPo中的s态在-2 eV处深度束缚，延迟了向ZnSe富集区的相变。
• 体相狄拉克锥是拓扑相变的普适指标，无论相变是由空间坐标（表面）还是内部参数（体）驱动，均具有普适性。