Bi 4 Ni 6 S 4 中的Rarita-Schwinger-Weyl费米子和spin-1激发
发布时间：2021-10-16 09:14
在晶体对称的保护下,凝聚态系统中除了Dirac和Weyl费米子外,还可能存在其他具有非零Berry曲率通量的无质量费米子。比如说三重简并的自旋1激发和自旋为3/2的Rarita-Schwinger-Weyl费米子。最近,拓扑量子化学理论为我们找到这些准粒子提供了一种方便的方法。本文中,我们发现了一个空间群（第199号）,它可能在费米能级附近同时具有自旋1激发和自旋3/2的Rarita-Schwinger-Weyl费米子。利用基于密度泛函理论的从头计算方法,并且考虑了自旋轨道耦合效应（SOC）,我们预测上面提到的非常规准粒子在属于I213空间群（第199号）的Bi4Ni6S4材料中共存。它们的非平凡拓扑性质导致了在（001）表面上,存在一些费米弧连接着这些非常规准粒子的投影。
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CdTe/HgTe二维量子阱体系能带结构示意图。随着中间层HgTe的厚度的变化,体系的能带发生反转。摘自文献[4]。
接下来,人们把拓扑绝缘体的概念拓展到三维体系中。2009年,同样基于量子自旋霍尔效应,由斯坦福大学的张首晟等人和中科院物理研究所的方忠、戴希等人预测了第一类三维体系的拓扑绝缘体:Bi2Se3族拓扑绝缘体[5]。因为这一类拓扑绝缘体的带隙比较大,所以也很快被实验证实,成为了研究拓扑绝缘体的典型。图1.2是Bi2Se3族材料的(111)表面的态密度图,可以看出b,c,d图都具有无能隙的表面态,也就都是非平庸的拓扑绝缘体。随着对于拓扑绝缘体的研究逐渐深入,人们还发现了一类表面Dirac锥受各种晶体对称性保护的绝缘体,也就是拓扑晶体绝缘体[6]。正因为如此,我们可以说拓扑晶体绝缘体的拓扑性质受到晶体对称性的保护(当然它们同样满足时间反演对称性)。到现在为止,研究者们已经完善了寻找或者预测各种拓扑绝缘体的理论依据(也就是下文中提到的拓扑量子化学理论)[7],并且提出了高阶拓扑绝缘体的概念(n阶拓扑绝缘体在其余维数为n的边界上有受保护的无带隙模式)[8]。所以,人们已经可以对拓扑绝缘体做一个定义:三维拓扑绝缘体(拓扑晶体绝缘体)是一种体态表现出绝缘性,但是具有受到时间反演对称性(空间对称性)保护的无能隙表面态的材料。
随后,人们逐渐发现了一些受到对称性保护的拓扑半金属,其来源不仅限于自旋轨道耦合作用[26,27,28,29,30]。接着,近年来人们又对拓扑半金属产生了新的思考:在晶体材料中,已经证实了费米能级附近存在的Weyl点或者Dirac点是一种拓扑性的能带交点,能够产生特殊的表面费米弧。但是,因为实空间中存在的费米子受到庞加莱群对称性的约束,所以我们才只能将费米子分为三类,可是在晶体材料的动量空间中,能带交点产生的费米子准粒子受到的对称性约束远小于高能物理中的情况,它们仅仅受到230种空间群对称性的约束。所以,在晶体材料中一定存在着没有实际粒子作为对应的非常规的准粒子[31],而经过验证,这些准粒子也能产生费米弧。本文正是受此启发,研究了两类图1.3拓扑绝缘体,拓扑半金属的拓扑性质来自于相似的能带反转过程。摘自文献[25]。(a)对于拓扑绝缘体,在能带反转后,自旋轨道耦合作用打开了体系的能隙,产生了拓扑表面态。(b)对于拓扑半金属,自旋轨道耦合作用并没有完全打开能隙,而是留下了一些特殊的能带交点。由于体能带的拓扑结构,其表面出现了费米弧。在Dirac半金属中,所有能带都是二重简并的,而时间反演对称性和空间反转对称性破坏其一或者都破缺时,一个Dirac点将会劈裂成一对Weyl点。3 本文的研究目的、方法和内容
本文编号：3439537
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CdTe/HgTe二维量子阱体系能带结构示意图。随着中间层HgTe的厚度的变化,体系的能带发生反转。摘自文献[4]。
接下来,人们把拓扑绝缘体的概念拓展到三维体系中。2009年,同样基于量子自旋霍尔效应,由斯坦福大学的张首晟等人和中科院物理研究所的方忠、戴希等人预测了第一类三维体系的拓扑绝缘体:Bi2Se3族拓扑绝缘体[5]。因为这一类拓扑绝缘体的带隙比较大,所以也很快被实验证实,成为了研究拓扑绝缘体的典型。图1.2是Bi2Se3族材料的(111)表面的态密度图,可以看出b,c,d图都具有无能隙的表面态,也就都是非平庸的拓扑绝缘体。随着对于拓扑绝缘体的研究逐渐深入,人们还发现了一类表面Dirac锥受各种晶体对称性保护的绝缘体,也就是拓扑晶体绝缘体[6]。正因为如此,我们可以说拓扑晶体绝缘体的拓扑性质受到晶体对称性的保护(当然它们同样满足时间反演对称性)。到现在为止,研究者们已经完善了寻找或者预测各种拓扑绝缘体的理论依据(也就是下文中提到的拓扑量子化学理论)[7],并且提出了高阶拓扑绝缘体的概念(n阶拓扑绝缘体在其余维数为n的边界上有受保护的无带隙模式)[8]。所以,人们已经可以对拓扑绝缘体做一个定义:三维拓扑绝缘体(拓扑晶体绝缘体)是一种体态表现出绝缘性,但是具有受到时间反演对称性(空间对称性)保护的无能隙表面态的材料。
随后,人们逐渐发现了一些受到对称性保护的拓扑半金属,其来源不仅限于自旋轨道耦合作用[26,27,28,29,30]。接着,近年来人们又对拓扑半金属产生了新的思考:在晶体材料中,已经证实了费米能级附近存在的Weyl点或者Dirac点是一种拓扑性的能带交点,能够产生特殊的表面费米弧。但是,因为实空间中存在的费米子受到庞加莱群对称性的约束,所以我们才只能将费米子分为三类,可是在晶体材料的动量空间中,能带交点产生的费米子准粒子受到的对称性约束远小于高能物理中的情况,它们仅仅受到230种空间群对称性的约束。所以,在晶体材料中一定存在着没有实际粒子作为对应的非常规的准粒子[31],而经过验证,这些准粒子也能产生费米弧。本文正是受此启发,研究了两类图1.3拓扑绝缘体,拓扑半金属的拓扑性质来自于相似的能带反转过程。摘自文献[25]。(a)对于拓扑绝缘体,在能带反转后,自旋轨道耦合作用打开了体系的能隙,产生了拓扑表面态。(b)对于拓扑半金属,自旋轨道耦合作用并没有完全打开能隙,而是留下了一些特殊的能带交点。由于体能带的拓扑结构,其表面出现了费米弧。在Dirac半金属中,所有能带都是二重简并的,而时间反演对称性和空间反转对称性破坏其一或者都破缺时,一个Dirac点将会劈裂成一对Weyl点。3 本文的研究目的、方法和内容
本文编号：3439537
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