Et kraftfuldt vejledende princip for topologisk kvantesyntese

Topologiske materialer kan klassificeres i topologiske isolatorer (TI'er), topologiske krystallinske isolatorer, topologiske Dirac -halvmetaller, topologiske Weyl -halvmetaller, topologiske halve metaller med nodal-line, og andre. Sådanne materialer tiltrækker opmærksomhed inden for kondenseret fysik og materialevidenskab på grund af deres spændende fysiske egenskaber og lovende teknologiske anvendelser. For et givet sammensat system, identifikation af dens topologiske karakter er generelt kompleks, kræver specifik bestemmelse af den relevante topologiske invariant gennem detaljeret elektronisk struktur og Berry -krumningsberegninger.

Den topologisk utrivne natur er knyttet til udseendet af omvendte bånd i den elektroniske struktur. For de fleste topologiske materialer, båndinversioner har vist sig at være induceret af sarte synergistiske virkninger af forskellige fysiske faktorer, herunder kemisk binding krystalfelt og, især, spin-orbit-kobling (SOC). I særdeleshed, for de mest undersøgte topologiske systemer af tredimensionale (3D) TI'er, SOC er blevet identificeret til at spille den afgørende rolle i inducering af båndinversion. For nylig, flere såkaldte high-throughput-metoder blev udviklet med succes til forudsigelse af TI'er. For eksempel, ved hjælp af en bestemt deskriptor, titalls nye kandidat -TI'er er blevet foreslået af en forskergruppe ved Duke University. Alligevel på implementeringsniveau, alle disse fremgangsmåder er afhængige af detaljerede båndstrukturberegninger baseret på første principper.

I dette omslagspapir, et enkelt og effektivt kriterium, der muliggør klar screening af potentielle topologiske isolatorer, blev foreslået af teamet af Prof. Huijun Liu ved Wuhan University, Prof. Xingqiu Chen ved Institute of Metal Research, Det Kinesiske Videnskabsakademi, og prof. Zhenyu Zhang ved University of Science and Technology of China. Kriteriet er iboende forbundet med båndinversionen forårsaget af SOC, og er entydigt defineret af et minimalt antal af to elementære fysiske egenskaber for de bestanddele:atomnummeret og Pauling elektronegativitet, snarere end input fra detaljerede beregninger af elektroniske båndstrukturer inden for densitet funktionel teori. Tanken med kriteriet er:

1. Energigabet (Δ) ved et bestemt højsymmetri-k-punkt åbnes stort set ved den lokale kemiske binding af de bestanddele og krystalfeltopdeling, mens SOC har en tendens til at trække minimum af ledningsbåndet ned og skubbe valensbåndets maksimum op for at fremkalde forekomsten af ​​båndinversionen med en antikrydsningsform.
2. Som et størrelsesordenskriterium, for at inducere båndinversionen ville det være ønskeligt, hvis et TI -kandidatmateriale har en større SOC -styrke λ og en mindre Δ. Det kritiske eller overgangssag ville kræve, at λ var sammenlignelig med Δ.
3. I princippet, SOC -styrken λ er proportional med atomnummeret, mens båndgabet i en forbindelse er tæt forbundet med elektronegativitetsforskellen mellem de konstituerende atomer. Med hensyn til det gennemsnitlige atomnummer (Z) for formelenheden og Pauling -elektronegativitetsforskellen (Δ {χ}) for de grundlæggende elementer, man kan definere et simpelt Δ -forhold (Δa =0,0184Z/ Δa {χ}), og et kandidatmateriale er topologisk utriveligt, hvis Δ er større end 1. Gyldigheden og forudsigelseskraften for et sådant kriterium demonstreres ved at rationalisere mange kendte topologiske isolatorer og potentielle kandidater i tetradymit- og halv-Heusler-familierne, og det underliggende designprincip kan naturligvis også udvides til forudsigelige opdagelser af andre klasser af topologiske materialer, som tilbyder et kraftfuldt vejledende princip i syntetisering af topologiske kvantematerialer.