[论文解读] Weyl semimetal phase in non-centrosymmetric transition metal monophosphides

Hongming Weng, Chen Fang+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 31, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 86

一句话总结

本文提出，非磁性过渡金属单磷化物（TaAs、TaP、NbAs、NbP）由于破坏了反演对称性，可实现外尔半金属相，其特征为在镜像平面中由自旋-轨道耦合诱导的能带反转产生12对外尔点。关键结果是预测在(001)和(100)表面上存在长而实验可探测的费米弧，其由非零镜像陈数和手性外尔节点连通性驱动。

ABSTRACT

Based on first principle calculations, we show that a family of nonmagnetic materials including TaAs, TaP, NbAs and NbP are Weyl semimetal (WSM) without inversion center. We find twelve pairs of Weyl points in the whole Brillouin zone (BZ) for each of them. In the absence of spin-orbit coupling (SOC), band inversions in mirror invariant planes lead to gapless nodal rings in the energy-momentum dispersion. The strong SOC in these materials then opens full gaps in the mirror planes, generating nonzero mirror Chern numbers and Weyl points off the mirror planes. The resulting surface state Fermi arc structures on both (001) and (100) surfaces are also obtained and show interesting shapes, pointing to fascinating playgrounds for future experimental studies.

研究动机与目标

• 识别并表征非中心对称过渡金属单磷化物中一类新的非磁性外尔半金属。
• 解释在时间反演对称性和反演对称性均未破缺的情况下外尔点的产生机制，其依赖于镜像对称性和自旋-轨道耦合。
• 预测表面费米弧结构及其通过镜像陈数和手性节点连通性实现的拓扑保护。
• 为在化学计量比、非磁性材料中实验探测外尔半金属行为提供理论基础。
• 证明此类材料中的费米弧显著长于先前提出的外尔半金属，从而增强实验可观测性。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，确定TaAs、TaP、NbAs和NbP的电子能带结构。
• 分析无自旋-轨道耦合时镜像不变平面中的能带反转，形成节点环。
• 引入自旋-轨道耦合以打开节点环的能隙，生成具有相反手性的外尔点。
• 在镜像平面上计算镜像陈数（MCN），以识别保护外尔半金属相的拓扑不变量。
• 利用从Wannier函数导出的紧束缚模型进行从头算表面态计算，映射(001)和(100)表面上的费米弧。
• 采用格林函数方法计算表面态，并验证其与镜像陈数和手性节点投影所给出的拓扑约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无磁序的非磁性非中心对称材料（如过渡金属单磷化物）中，外尔半金属相是否可以出现？
• RQ2 这些材料中外尔点的拓扑起源是什么？镜像陈数和能带反转如何贡献于其形成？
• RQ3 (001)和(100)表面的表面费米弧结构在连通性和拓扑上如何不同？
• RQ4 为何TaAs家族材料中的费米弧显著长于先前提出的外尔半金属？
• RQ5 表面弛豫或势场变化是否可调制表面费米弧的连通性？

主要发现

• TaAs、TaP、NbAs和NbP每种材料在布里渊区中均精确存在12对由自旋-轨道耦合诱导的镜像平面中节点环能隙化而产生的外尔点。
• 外尔半金属相由两个镜像不变平面上的非零镜像陈数稳定，该陈数保护外尔点不被拓扑 trivial 化。
• (001)表面的费米弧极为漫长，沿Γ–M方向跨越布里渊区边界，显著增强实验可探测性。
• (100)表面由于ΓZN平面的镜像陈数，支持沿Γ–Y方向的一对手性表面态，尽管费米弧的连通性约束较弱。
• (001)表面的费米弧连通性由相同手性的外尔点投影保证，而(100)表面则依赖于相反手性节点的配对。
• 表面费米弧图案可能因表面弛豫或势场变化而发生拓扑相变，表明其表面拓扑可被调控。