image: The definition of χ in systems with S4 symmetry on the orange surface S. The system in (b) has C2,110 symmetry. view more
Credit: @Science China Press
利用体系的对称性，人们可以定义各种各样的拓扑不变量来刻画不同的拓扑态。通过拓扑不变量的计算，拓扑材料可以被精准地搜索到。最近，研究者发现不可约表示和相容性关系可以被用来轻松地判断一个材料是拓扑非平庸/平庸的绝缘体（满足相容性关系），还是拓扑半金属（不满足相容性关系），这导致了大量的拓扑材料被理论计算所预言。然而，由于外尔费米子不需要任何对称性保护（除了晶格平移），这种基于对称性的方法并不适用于搜索外尔半金属。目前，人们通常在三维布里渊区中取很密的网格来寻找能隙为零的外尔费米子。由于需要很大的计算量，这种方法的效率非常低，因此不可能被用在高通量搜索程序上。考虑到外尔半金属潜在的巨大应用前景，设计全新的算法或定义新的拓扑不变量来准确且快速地搜索外尔费米子就变得十分迫切。 Science Bulletin 最近在线出版了题为“High-throughput screening for Weyl Semimetals with S4 Symmetry”的文章。针对具有S4对称性的体系，研究人员提出了一种新型的拓扑不变量 χ，它可以有效地检测体系中是否存在外尔费米子。χ定义为图1中橙色面上贝里曲率的积分，可以通过一维Wilson-loop方法计算出来。此外，磁性体系中又可以通过S4不变的高对称动量点上占据态波函数的表示来确定χ是否非零，由此大大提高了搜索外尔费米子的效率，即将三维倒空间的搜索转化为对特定曲线上贝里相位的计算或是特定高对称点上不可约表示的计算。值得注意的是，这套新的方法对于非磁和磁性的体系都同样适用。 文章将这种方法应用到高通量搜索中，并通过第一性原理计算在非磁和磁性体系中预测了大量新的外尔半金属。现存的实验观测显示这些新发现的外尔半金属具有许多独特的性质，如磁阻挫效应、超导和自旋玻璃态等。这些材料为未来研究外尔费米子和其他奇异物态相互作用提供了理想的平台。
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文章信息：
Jiacheng Gao, Yuting Qian, Simin Nie, Zhong Fang, Hongming Weng, Zhijun Wang. High-throughput screening for Weyl Semimetals with S4 Symmetry. Science Bulletin, 2021, doi: 10.1016/j.scib.2020.12.028 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927320307738Journal
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