近乎理想的狄拉克半金属的有效模型

自能带拓扑的概念引入到理解二维自由电子气中的量子霍尔效应以来，拓扑材料由于其新颖的行为而受到了极大的关注，已经成为凝聚态物理学的一大热门研究领域。尤其在过去的十余年中，许多拓扑材料在理论上被预言，并且有些在实验上已经被证实。

和强磁场下二维自由电子气实现量子霍尔绝缘体的例子不同，时间反演对称的材料（即非磁性材料）也可以承载非平庸的能带拓扑，例如受时间反演对称保护的拓扑绝缘体。 此外，除了时间反演对称性之外，额外的空间对称性也可以保护拓扑晶体绝缘体和半金属。对于狄拉克半金属，围绕四重简并带交叉点（也称为狄拉克点）的体低能哈密顿量可以模拟无质量(3 + 1)维狄拉克哈密顿量。由于具有新的物理结果（比如Klein隧穿），这种新的量子态引起了广泛的研究兴趣。此外，考虑到固体中较低的对称性而不是洛伦兹对称性，人们还提出了具有倾斜狄拉克锥的II类拓扑半金属，并在PdTe₂和PtTe₂中得到了实现。这些II类拓扑半金属中的狄拉克点相对远离费米能级（比费米能级低约1 eV）。两个比较早期的狄拉克半金属Na₃Bi和Cd₃As₂都拥有完美的费米面（仅包含离散的狄拉克点），但它们本身存在阻碍其实际应用的问题：Na₃Bi在空气中不稳定而Cd₃As₂有剧毒。从那以后出现越来越多的预言狄拉克半金属的工作。

尽管实验已经验证了几种狄拉克半金属，但仍然缺乏适合实际应用的狄拉克半金属材料。因此，找到理想的狄拉克半金属材料至关重要。最近，关于三维非磁性拓扑材料已经进行了大规模的数据库搜索，许多拓扑材料被预言 [1-3]，其中包括在费米能级附近具有带交叉对称性保护的材料。这些对于拓扑材料的搜索提供了一个相对小范围的、值得未来进一步研究拓扑属性的材料数据库。然而，值得一提的是，在对它们进行未来的实验研究之前，可能仍需要进一步的理论分析和计算：对于拓扑半金属，需要进一步检查能带交叉的位置及其对称性保护机制以及它们的低能量k·p哈密顿量，这些是下一步研究的关键。

南京大学物理学院唐峰博士和万贤纲教授最近在Frontiers of Physics发表论文 “Effective models for nearly ideal Dirac semimetals”，基于Nature 566(7745), 486 (2019)中的数千种拓扑半金属 [3]，从中挑选出8种近乎理想的狄拉克半金属（见下表），并对它们进行了详细的分析，不仅展示了这些材料在布里渊区的狄拉克点的具体位置，而且阐明了这些狄拉克点的对称保护机制以及它们的低能有效模型。这些结果为未来的研究开辟了新的起点，比如应变下的拓扑相变和基于这些有效模型的输运研究。在这些狄拉克半金属中，有几种是非常有希望的，它们应该非常稳定并且也是无毒的（见下表中的氧化物）。这些材料为研究手性反常提供了一个有效新平台，并且有望在未来用于制造具有高迁移率的功能电子器件和设备。

论文全文请下载：

Feng Tang and Xiangang Wan, Effective models for nearly ideal Dirac semimetals, Front. Phys. 14(4), 43603 (2019)

参考文献：

1.  T. Zhang, Y. Jiang, Z. Song, H. Huang, Y. He, Z. Fang, H. Weng, and C. Fang, Catalogue of topological electronic materials, Nature 566(7745), 475 (2019)

2.  M. G. Vergniory, L. Elcoro, C. Felser, N. Regnault, B. A. Bernevig, and Z. Wang, A complete catalogue of high-quality topological materials, Nature 566(7745), 480 (2019)

3.  F. Tang, H. C. Po, A. Vishwanath, and X. Wan, Comprehensive search for topological materials using symmetry indicators, Nature 566(7745), 486 (2019)

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