第四类磁空间群中的狄拉克半金属- 大数跨境

两江科技评论

2018-12-11

导读：拓扑半金属是不同于拓扑绝缘体的一类新的拓扑量子态，是当前凝聚态物理的热门研究领域之一。根据磁单极子在动量空间中的简并和分布情况, 拓扑半金属可以细分为狄拉克半金属, 外尔半金属, 节点线半金属和多重简

发现和定义新的物态在凝聚态物理中占有重要地位。拓扑半金属是不同于拓扑绝缘体的一类新的拓扑量子态，是当前凝聚态物理的热门研究领域之一。根据磁单极子在动量空间中的简并和分布情况, 拓扑半金属可以细分为狄拉克半金属, 外尔半金属, 节点线半金属和多重简并点半金属等。

图一：(a)EuCd₂As₂层间反铁磁基态的晶体结构；(b)EuCd₂As₂的电子结构及反铁磁狄拉克半金属态；(c-e) EuCd₂As₂的投影态密度、费米弧及其自旋分布。

目前，关于狄拉克半金属的研究主要集中在非磁材料[1-3]。考虑到自然界中存在丰富的磁性材料，因此如何在磁性材料中寻找和定义狄拉克半金属显得十分迫切和必要。2016年，斯坦福大学张首晟组的汤沛哲、周权、徐刚等人首次定义并预言了一种反铁磁狄拉克半金属材料CuMnAs [4]。在最近新发表的Phys. Rev. B 98,201116(R)中，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的徐刚及其合作者研究了全部磁空间群中的狄拉克半金属态。他们发现，目前实验上证实的Na₃Bi、Cd₃As₂等都属于第二类磁空间群，CuMnAs属于第三类磁空间群。在最新的这项工作中，徐刚等人进一步把狄拉克半金属的概念推广到了第四类磁空间群，论证了狄拉克半金属在该类磁空间群中的可行性，并系统研究了狄拉克点存在的对称性要求和分布情况：对于中心对称的第四类磁空间群，在空间反演算符P和非简单时间反演算符(τ是连接上下自旋子晶格的平移矢量)的共同作用下，动量空间中的任意k点都存在克拉默简并，为实现狄拉克半金属提供了必要条件；在该类磁空间群的布里渊区中的高对称轴上，旋转对称性C_n(n=3, 4, 6)可以保护住稳定的狄拉克点；此外，在的高对称点上，2度、4度和6度旋转对称性也可以保护住稳定的狄拉克点；除此之外的其它k点都无法存在狄拉克点。该理论工作极大地推广了狄拉克半金属的搜索范围，并为反铁磁狄拉克半金属的寻找提供了清晰的路线图，推动了拓扑半金属领域的研究进展。

图二：(a) 磁矩沿面内方向时得到的反铁磁拓扑绝缘体态；(b) 二维陈绝缘体沿c方向交替堆叠形成反铁磁拓扑绝缘体的示意图,其中红色和蓝色球分别对应陈数为1和-1的二维陈绝缘体层; (c、d)分别对应于反铁磁拓扑绝缘体在(001)和(100)表面的投影态密度; (e、f)分别对应于破坏空间反演对称性后获得的反铁磁三重简并点半金属的能带结构及相应的费米面。

根据理论分析提供的对称性要求和第一性原理计算，徐刚等人发现层间反铁磁材料EuCd₂As₂（如图一(a)）很有可能是一种理想的第四类磁空间群下的反铁磁狄拉克半金属——仅有一对狄拉克点穿过费米能级，如图一(b、d)。他们发现，通过适当的磁矩方向的调控或对称性破缺，在EuCd₂As₂中还可能实现反铁磁拓扑绝缘体——一种轴子绝缘体（图二(a)）和反铁磁三重简并点半金属（图二(e、f)）等新奇拓扑物态。因此，三维反铁磁材料EuCd₂As₂为多种反铁磁拓扑物态的研究提供了一个理想平台。