[论文解读] Type-II Topological Dirac Semimetals: Theory and Materials Prediction (VAl3 family)

Tay‐Rong Chang, Su‐Yang Xu+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用 7

一句话总结

本文在VAl₃家族中提出了一种新型拓扑半金属态——第二类拓扑狄拉克半金属，其中强洛伦兹对称性破缺的狄拉克节点由四个手性荷为±1的第二类外尔节点合并而成。作者预测了与传统狄拉克半金属不同的独特 Landau 能级谱，并通过晶格畸变展示了拓扑相变，确立了VAl₃作为研究输运和光谱实验中洛伦兹对称性破缺狄拉克费米子的可调平台。

ABSTRACT

The discoveries of Dirac and Weyl semimetal states in spin-orbit compounds led to the realizations of elementary particle analogs in table-top experiments. In this paper, we propose the concept of a three-dimensional type-II Dirac fermion and identify a new topological semimetal state in the large family of transition-metal icosagenides, MA3 (M=V, Nb, Ta; A=Al, Ga, In). We show that the VAl3 family features a pair of strongly Lorentz-violating type-II Dirac nodes and that each Dirac node consists of four type-II Weyl nodes with chiral charge +/-1 via symmetry breaking. Furthermore, we predict the Landau level spectrum arising from the type-II Dirac fermions in VAl3 that is distinct from that of known Dirac semimetals. We also show a topological phase transition from a type-II Dirac semimetal to a quadratic Weyl semimetal or a topological crystalline insulator via crystalline distortions. The new type-II Dirac fermions, their novel magneto-transport response, the topological tunability and the large number of compounds make VAl3 an exciting platform to explore the wide-ranging topological phenomena associated with Lorentz-violating Dirac fermions in electrical and optical transport, spectroscopic and device-based experiments.

研究动机与目标

• 识别并表征一类超越传统狄拉克和外尔费米子的新拓扑半金属——第二类狄拉克半金属。
• 探索过渡金属十二面体化合物MA₃（M=V, Nb, Ta；A=Al, Ga, In）中强洛伦兹对称性破缺狄拉克节点的产生机制。
• 预测VAl₃中由第二类狄拉克费米子产生的独特Landau能级谱，该谱与已知狄拉克半金属显著不同。
• 研究在晶格畸变下，第二类狄拉克半金属向二次外尔半金属或拓扑晶体绝缘体的拓扑相变。
• 确立VAl₃作为在电学、光学及器件实验中探测拓扑现象的多功能平台。

提出的方法

• 构建了包含自旋-轨道耦合和时间反演对称性的k·p有效哈密顿量模型，以描述VAl₃的低能电子结构。
• 通过群论分析表明，VAl₃中的狄拉克节点源于四个手性荷为±1的第二类外尔节点的对称性保护合并。
• 利用实数和复数参数（α, β, γ, η, δ, ξ）构建了一个4×4哈密顿量H(**k**)，以描述狄拉克点附近的能带色散。
• 通过DFT计算并拟合k·p模型，验证了所有方向上的线性色散行为以及沿k_z方向的第二类外尔行为。
• 分析了交换场M_zσ₃的影响，其将简并双重简并能带分裂为四个单重简并能带，揭示了沿k_x和k_y方向的双外尔色散，以及沿k_z方向的第二类外尔色散。
• 通过调节参数模拟晶格畸变，探索相变行为，表明可实现向二次外尔半金属或拓扑晶体绝缘体相的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VAl₃家族中是否存在三维第二类狄拉克费米子态？其对称性保护的拓扑特性是什么？
• RQ2 VAl₃中第二类狄拉克费米子的Landau能级谱与传统狄拉克半金属有何不同？
• RQ3 VAl₃中狄拉克节点的起源是什么？其与四个手性荷为±1的第二类外尔节点的对称性保护合并有何关联？
• RQ4 晶格畸变如何驱动第二类狄拉克半金属向二次外尔半金属或拓扑晶体绝缘体的拓扑相变？
• RQ5 洛伦兹对称性破缺在塑造该新拓扑态的独特电子和输运特性中起什么作用？

主要发现

• VAl₃家族中存在一对强洛伦兹对称性破缺的第二类狄拉克节点，该结果通过DFT和k·p模型计算共同证实。
• 每个狄拉克节点均由四个手性荷为±1的第二类外尔节点构成，源于外尔点的对称性保护合并。
• VAl₃中的Landau能级谱与已知狄拉克半金属显著不同，表明其具有新颖的磁输运响应。
• 采用拟合参数（α₀ = -0.0274, α₅ = -0.0179, β₀ = 0.3730, β₅ = 0.1831, γ₀ = 2.0574, γ₅ = 0.8662, η = 1.6590 - i0.7754, δ = -(0.8351 + i0.0301), ξ = -(0.0048 + i0.1961)）的k·p模型成功再现了线性色散和狄拉克节点结构。
• 施加交换场M_zσ₃后，狄拉克能带分裂为四个单重简并能带，沿k_x和k_y方向呈现双外尔色散，沿k_z方向呈现第二类外尔色散。
• 晶格畸变可诱导第二类狄拉克半金属向二次外尔半金属或拓扑晶体绝缘体相的拓扑相变，证明了该拓扑态的可调性。