npj: 孫建教授和邢定鈺院士等—發現系列特殊複合拓撲節點線

2021-02-18 知社學術圈

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近年來，拓撲材料在理論和實驗上引起了科學界極大的興趣。其無間隙相拓撲半金屬節點一般被限制在布裡淵區之內，例外極少，而同一體系內存在一系列例外的拓撲節點線的情況更是聞所未聞。南京大學的孫建教授和邢定鈺院士團隊採用對稱性分析和第一性原理計算，卻發現了這種稀奇現象。

來自南京大學的孫建教授和邢定鈺院士領導的團隊，採用對稱性分析和第一性原理計算研究了正交相AgF2體系，發現其存在著環繞或穿越整個布裡淵區的系列複合拓撲半金屬態，包括節點面、四度簡併網、節點鏈、「渾天儀」型節點、沙漏型狄拉克環等等。有意思的是，上述穿越布裡淵區的節點線特性，均對應於不同的拓撲指標和對稱性指標。在不考慮自旋軌道耦合時，正交相空間群會誘導出環繞整個布裡淵區的節點面和四度簡併網。在考慮自旋軌道耦合時，布裡淵區的表面會出現沙漏型狄拉克環態。作者在AgF2中發現了更多特殊的簡併態：1）不考慮自旋軌道耦合時，該體系表現出了穿越布裡淵區的節點鏈與渾天儀樣節點態。 2）考慮自旋軌道耦合時，體系中出現了一種新的沙漏型狄拉克環/鏈的構型，由一般沙漏型狄拉克圓圈態劈裂成兩條穿越布裡淵區的狄拉克環態而形成。他們對此定義了一個新的對稱性指標，用來對所有沙漏型狄拉克環態作了分類。他們的發現為利用對稱性指標理論研究高對稱點、線、面上存在節點的拓撲半金屬態提供了一個完美的實例。

該文近期發表於npj Computational Materials 5: 53 (2019)，英文標題與摘要如下，點擊左下角「閱讀原文」可以自由獲取論文PDF。

Composite topological nodal lines penetrating the Brillouin zone in orthorhombic AgF2

Dexi Shao, Huaiqiang Wang, Tong Chen, Pengchao Lu, Qinyan Gu, Li Sheng, Dingyu Xing & Jian Sun

It has recently been found that nonsymmorphic symmetries can bring many exotic band crossings. Here, based on symmetry analysis, we predict that materials with time-reversal symmetry in the space group of Pbca (No. 61) possess rich symmetry-enforced band crossings, including nodal surfaces, fourfold degenerate nodal lines and hourglass Dirac loops, which appear in triplets as ensured by the cyclic permutation symmetry. We take Pbca AgF2 as an example in real systems and studied its band structures with ab initio calculations. Specifically, in the absence of spin-orbit coupling (SOC), besides the above-mentioned band degeneracies, this system features a nodal chain and a nodal armillary sphere penetrating the Brillouin zone (BZ). While with SOC, we find a new configuration of the hourglass Dirac loop/chain with the feature traversing the Brillouin zone, which originates from the splitting of a Dirac loop confined in the Brillouin zone. Furthermore, guided by the bulk-surface correspondence, we calculated the surface states to explore these bulk nodal phenomena. The evolution of these interesting nodal phenomena traversing the Brillouin zone under two specific uniaxial strains is also discussed. 

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