بررسی گذارفاز توپولوژی آلیاژهای NbxTa1-xSb (x=0,0.25,0.5,0.75,1) از نیم‌فلز دیراک به نیم‌فلز وایل با استفاده از روش ابتدا به‌ ساکن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده فیزیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان

2 استادیار، دانشکده فیزیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان

چکیده

نیم­فلزهای وایل حالت­های کوانتومی ویژه­ و بسیار جالبی از ماده را نشان می­دهند که دارای ویژگی­های توپولوژی غیربدیهی بوده و کاربردهای یکتایی در صنعت اسپینترونیک دارند. یکی از روش­های ساختن این مواد استفاده از روش آلیاژسازی است. در این مقاله آلیاژهای  با استفاده از روش­های ابتدا به ساکن ساخته شده­اند و بعد از بررسی پایداری آن­ها، ویژگی­های ساختاری، الکترونی و توپولوژی آن­ها مورد مطالعه قرارگرفته ­است. برای بررسی ویژگی­های ساختاری و الکترونی آلیاژها از برنامه محاسباتی وین، که بر اساس نظریه تابعی چگالی است، بهره گرفته شده ­است. همچنین، ویژگی­های توپولوژی این آلیاژها با استفاده از برنامه محاسباتی وانیرتولز، که بر اساس روش تنگ-بست است، محاسبه شده­اند. محاسبه­ها نشان دادند که آلیاژهای در نبود برهم­کنش اسپین- مدار، دارای نقطه­های برخوردی با تبهگنی­ چهارگانه و وارونی نواری هستند و در نتیجه­ نیم­فلز توپولوژی دیراک­ می­‌باشند. با در نظر گرفتن  برهم­کنش اسپین- مدار، مشاهده شد که آلیاژهایی با غلظت­های 75/0 ،5/0 ،25/0 ،0 x =  با بازشدن شکاف انرژی تبدیل به نیم­فلز معمولی می­شوند؛ ولی آلیاژ با غلظت 1x = به نیم­فلز توپولوژی وایل با 16 جفت فرمیون وایل تبدیل ­می­‌شود. برای یافتن مکان نقطه­های وایل کل منطقه اول بریلوئن جستجو شد. بررسی­ها نشان داد که فرمیون­های وایل با کایرالیتی 1+ یا 1- با تقارن مرکزی در منطقه اول بریلوئن پراکنده­­اند، ولی همگی دور از مسیر­های پرتقارن منطقه اول بریلوئن هستند. همچنین ویژگی حالت­های سطحی، چون کمان‌های فرمی، برای نیم­فلز وایل NbSb با استفاده از برنامه محاسباتی وانیرتولز محاسبه و بررسی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Research Paper: Investigation of Topological Phase Transition of Nb_x Ta_(1-x) Sb (x=0,0.25,0.50,0.75,1) Alloys from Dirac Semimetal to Weyl Semimetal using First-principles Approaches

نویسندگان [English]

  • Samira Sadat Nourizadeh 1
  • Aminollah Vaez 2
1 PhD Student, Faculty of Physics, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Physics, University of Isfahan, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

Weyl semimetals show special quantum states of matter, which have nontrivial topological features and very interesting and unique applications in the spintronics industry. One method of making these materials is the use of alloying method. In this paper, the  alloys are constructed using the first-principles methods. After study of their stability, their structural, electronic, and topological properties have been studied. To study the structural and electronic properties of the alloys, the Wien2k package, based on density functional theory, has been used. Furthermore, the topological properties of the alloys have been calculated using the Wanniertools packages, based on the tight-binding method. Calculations show that the alloys, in the absence of spin-orbit coupling, have crossing points with fourfold degeneracy and band inversion. Therefore, they are topological Dirac semimetal. Considering the spin-orbit coupling, it is seen that alloys with concentrations of x = 0, 0.25, 0.5, 0.75 change to the normal semimetal by opening the band gap; but, the alloy with x = 1 concentration changes to the topological Weyl semimetal with 16 Weyl fermions couple. The full area of the first Brillouin zone (FBZ) was scanned to find the positions of the Weyl points. The results show that the Weyl points, with chirality of either +1 or -1, were scattered in the FBZ with the central symmetry, but all of them are far from the high-symmetry paths of FBZ. Furthermore, the surface state properties, like Fermi arcs, were calculated and studied for the NbSb Weyl semimetal using the Wanniertools computational packages.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Topological Materials
  • Dirac Semimetal
  • Weyl Semimetal
  • Density Functional Theory
  • Tight-binding Method

مراجع

[1]  Hasan. M. Z, Kane. C. L, "Colloquium: topological insulators", Reviews of Modern Physics, 82 , 3045-3067,2010.
[2] Weyl. H, "Elektron und gravitation. I", Zeitschrift für Physik, 56 , 330-352,1929.
[3]  Gross. F, "Relativistic quantum mechanics and field theory", John Wiley & Sons,119-169, 2008.
[4] Sun. Y, Wu. S.C, Yan. B, "Topological surface states and Fermi arcs of the noncentrosymmetric Weyl semimetals TaAs, TaP, NbAs, and NbP", Physical Review B, 92 , 335304-335328,2015.
[5] Xu. S.Y, Alidous. N. t, Belopolski. I, Yuan. Z, Bian. G, Chang. T. R, Zheng. H, Strocov. V.N, Sanchez. D.S, Chang. G, "Discovery of a Weyl fermion state with Fermi arcs in niobium arsenide", Nature Physics, 11 , 748-754, 2015.
[6] Chang. G, Wieder. B.J, Schindler. F, Sanchez. D.S, Belopolski. I, Huang. S. M, Singh. B, Wu. D, Chang. T. R, Neupert. T, Xu. S. Y, Lin. H, Hasan. M.Z, "Topological quantum properties of chiral crystals", Nature Materials, 17 , 978-985, 2018.
[7] Wang. X, Zhang. M, "Layered topological semimetals for spintronics, in:  Spintronic 2D Materials", Elsevier,1, 273-298, 2020.
[8] Yan. B, Felser. C, "Topological materials: Weyl semimetals", Annual Review of Condensed Matter Physics, 8 , 337-354, 2017.
[9] Chang. G, Wieder. B.J, Schindler. F, Sanchez. D.S, Belopolski. I, Huang. S.M, Singh. B, Wu. D, Chang. T. R, Neupert. T, Xu. S.Y, Lin. H, Hasan. M.Z, "Topological quantum properties of chiral crystals", Nature Materials, 17 , 978-985, 2018.
[10] Wan. X, Turner. A.M, Vishwanath. A, Savrasov. S.Y, "Topological semimetal and Fermi-arc surface states in the electronic structure of pyrochlore iridates", Physical Review B, 83 , 205101-205110, 2011.
[11] Xu. G, Weng. H, Wang. Z, Dai. X, Fang. Z, "Chern semimetal and the quantized anomalous Hall effect in HgCr2Se4", Physical Review Letters, 107 , 186806-186824, 2011.
[12] Weng. H, Fang. C, Fang. Z, Bernevig. B.A, Dai. X, "Weyl Semimetal Phase in Noncentrosymmetric Transition-Metal Monophosphides", Physical Review X, 5 , 011029-011039, 2015
[13] Lv. B, Weng. H, Fu. B, Wang. X.P, Miao. H, Ma. J, Richard. P, Huang. X, Zhao. L, Chen. G, "Experimental discovery of Weyl semimetal TaAs", Physical Review X, 5 , 217601-217606, 2015.
[14] Dai. T, Li. Y, Zhao. L, Zhao. X, Zhong. J, Meng. L, "Alloying Driven Multifold Fermion‐to‐Weyl Semimetal Transition in CoSi1− xAx (A= Ge, Sn)", Physica Status Solidi (RRL)–Rapid Research Letters, 16 , 2200115-2200123, 2022.
[15] Su. Y.H, Shi. W, Felser. C, Sun. Y, "Topological Weyl semimetals in Bi1− xSbx alloys", Physical Review B, 97 ,155431-155439, 2018.
[16] Huang. H, Jin. K. H, Liu. F, "Alloy engineering of topological semimetal phase transition in MgTa2− x NbxN3", Physical Review Letters, 120 , 136403-136410, 2018.
[17] Kong. X, Li. L, Peeters. F.M, "Topological Dirac semimetal phase in GexSny alloys", Applied Physics Letters, 112 , 251601-251609, 2018.
[18] Kumar. P, Nagpal. V, Patnaik. S, "Chiral anomaly induced negative magnetoresistance and weak anti-localization in Weyl semimetal Bi0. 97Sb0. 03 alloy", Journal of Physics: Condensed Matter, 34 , 055601-055608, 2021.
[19] Blaha. P, Schwarz. K, Tran. F, Laskowski. R, Madsen. G.K, Marks. L.D, "WIEN2k: An APW+ lo program for calculating the properties of solids", The Journal of Chemical Physics, 152 , 074101-074113, 2020.
[20] Hohenberg. P, Kohn. W, "Density functional theory (DFT)", Physical Review, 136 ,864-871, 1964.
[21] Mostofi. A.A, Yates. J.R, Lee. Y.S, Souza. I, Vanderbilt. D, Marzari. N, "wannier90: A tool for obtaining maximally-localised Wannier functions", Computer Physics Communications, 178 ,685-699, 2008.
[22] Marzari. N, Mostofi. A.A, Yates. J.R, Souza. I, Vanderbilt. D, "Maximally localized Wannier functions: Theory and applications", Reviews of Modern Physics, 84 ,1419-1476, 2012.
[23] Wu. Q, Zhang. S, Song. H.F, Troyer. M, Soluyanov. A.A, "WannierTools: An open-source software package for novel topological materials", Computer Physics Communications, 224 , 405-416, 2018.
[24] Perdew. J.P, Burke. K, Ernzerhof. M, "Generalized gradient approximation made simple", Physical Review Letters, 77 , 3865-3868, 1996.
[25] Smidstrup. S, Stradi. D, Wellendorff. J, Khomyakov. P.A, Vej-Hansen. U.G, Lee M.E, Ghosh. T, Jónsson. E, Jónsson. H, Stokbro. K, "First-principles Green's-function method for surface calculations: A pseudopotential localized basis set approach", Physical Review B, 96, 195309-195326, 2017.
[26] Brown. T.E, LeMay. H.E, Bursten. B.E, Murphy. C.J, Woodward. P.M, "Chemistry", The central science, 15, Pearson Prentice Hall, 2021.
[27] Lomnytska. Y.F, Kuz’ma. Y.B, "The Nb–Sb system", Journal of Alloys and Compounds, 413, 114-117, 2006.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 11 آبان 1401
  • تاریخ بازنگری: 26 اسفند 1401
  • تاریخ پذیرش: 15 اردیبهشت 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار