[论文解读] Weyl Ferroelectric Semimetal

Li, Ronghan, Yuanfeng Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2016

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 9

一句话总结

该论文提出HgPbO₃为首个实验合成的外尔铁电半金属，首次在单一氧化物材料中实现了铁电性与外尔节点的共存。通过第一性原理计算，表明R3c铁电相具有33 μC/cm²的自发极化，并在费米能级附近存在六对手性外尔节点，可实现电场调控的拓扑态，适用于拓扑电子学器件。

ABSTRACT

The recent discoveries of ferroelectric metal and Weyl semimetal (WSM) have stimulated a natural question: whether these two exotic states of matter can coexist in a single material or not. These two discoveries ensure us that physically it is possible since both of them share the same necessary condition, the broken inversion symmetry. Here, by using first-principles calculations, we demonstrate that the experimentally synthesized nonmagnetic HgPbO$_3$ represents a unique example of such hybrid "\emph{Weyl ferroelectric semimetal}". Its centrosymmetric $R\bar{3}c$ phase will undergo a ferroelectric phase transition to the ferroelectric $R3c$ structure. Both phases are metallic and the ferroelectric phase owns a spontaneous polarization of 33 $μ$C/cm$^2$. Most importantly, it also harbors six pairs of chiral Weyl nodes around the Fermi level to be an oxide WSM. The structural symmetry broken phase transition induces a topological phase transition. The coexistence of ferroelectricity and Weyl nodes in HgPbO$_3$ is an ideal platform for exploring multiphase interaction and mutual control. The Weyl nodes can be tuned by external pulse electric field, which is promising for potential applications of integrated topotronic and ferroelectric devices.

研究动机与目标

• 探索在单一材料中实现铁电性与外尔半金属特性的共存，克服长期以来因对称性不相容与电子屏蔽效应导致的挑战。
• 识别满足铁电金属与外尔半金属双重条件的材料：非对心晶格、强自旋-轨道耦合以及填满的d轨道。
• 证明HgPbO₃中的外尔节点可通过外加脉冲电场实现电控调节，实现对拓扑态的动态调控。
• 确立HgPbO₃作为具有铁电与拓扑序参量耦合特性的多功能拓扑氧化物原型。
• 基于电子结构与对称性原理，为未来兼具外尔半金属性与铁电性的材料设计提供理论框架。

提出的方法

• 采用基于PBE泛函与投影缀加平面波（PAW）方法的密度泛函理论（DFT）进行结构与电子结构计算。
• 利用严格收敛标准（原子受力 < 0.0001 eV/Å）进行结构优化，并通过杂化HSE与GW方法验证结果。
• 基于Wannier函数的紧束缚模型与表面格林函数技术，映射外尔节点与费米弧。
• 通过电荷密度差图分析电荷重分布与外尔节点处偶极子的形成，评估铁电稳定性的成因。
• 研究(111)与(11̄2)表面的表面态，以确认拓扑保护的费米弧的存在。
• 分析自旋-轨道耦合与能带拓扑在非磁性、非对心R3c相中稳定外尔节点的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管金属通常具有屏蔽效应，铁电金属是否仍可容纳外尔半金属态？
• RQ2 HgPbO₃从对心R̄3c相到非对心R3c相的结构相变是否诱导了拓扑相变？
• RQ3 HgPbO₃中的外尔节点是否可通过外加脉冲电场实现电控调节，从而实现对拓扑态的动态调控？
• RQ4 在Weyl半金属中屏蔽效应较弱的背景下，局域化的外尔载流子在实现铁电性中起到何种作用？
• RQ5 HgPbO₃中的表面态与费米弧如何反映体相外尔节点的拓扑本质？

主要发现

• HgPbO₃经历从对心R̄3c到非对心R3c结构的铁电相变，自发极化为33 μC/cm²。
• 铁电R3c相在费米能级附近存在六对具有手性的外尔节点，证实其为外尔半金属。
• (111)与(11̄2)表面的表面态计算揭示了连接相反手性外尔节点的清晰费米弧，证实其具有拓扑保护特性。
• 电荷密度分析表明，外尔节点态导致电荷局域化重分布，即使在金属屏蔽下仍可实现稳定偶极子形成。
• 外尔节点可通过外加脉冲电场实现调控，从而实现对拓扑态的动态控制，适用于潜在的拓扑电子学应用。
• HgPbO₃中外尔半金属性与铁电性的共存，源于强自旋-轨道耦合、非对心晶格结构以及局域化外尔载流子动力学的协同作用。