npj: Weyl费米子起源—Co原子的层间耦合

近年来，拓扑量子材料(TQMs)，包括拓扑绝缘体(TIs)和具有非平庸能带拓扑的半金属，都有了巨大的发展。然而，TQMs的实际应用仍存在一些挑战。例如，TIs是研究最广泛的一类拓扑材料，其面临的困难是材料在使用过程中需要一直保持其关键特性，而无序和缺陷的出现将破坏其量子化的电导。另一方面，由于铁磁性和电子绝缘性之间存在互斥性，寻找具有时间反演对称性破缺特征的陈绝缘体（Chern insulators）是一个巨大挑战。利用局部拓扑不变量定义的拓扑半金属(TSMs)，因其丰富的物理特性，已经成为拓扑材料家族中的一个热点。最重要的TSMs之一是Weyl半金属（WSM），其在Weyl点附近的带状色散可以用“Weyl方程”来描述。尽管近年来非磁性WSM已经被彻底研究，但磁性WSM（MWSM）仍然很少见，尽管它们作为下一代超快拓扑自旋电子学的构件具有很大的潜力。

MWSMs表现出许多奇异的物理特性，如量子反常霍尔效应、大的反常霍尔电导（AHC）和畴壁物理。自从理论上发现了第一个MWSM-烧绿石以来，又有报道发现了一些其他潜在的MWSM。它们包括HgCr2Se4、Heusler化合物、Fe3Sn2、Sn2Nb2O7、尖晶石化合物和稀土材料。最近的实验直接观察了Co3Sn2S2的费米弧和线性色散能带，证实了硫铅镍矿结构也是一种MWSM。同时，通过直接观察室温磁体Co2MnGa的鼓膜表面态，证实了磁性Weyl费米子线。然而，人们对其结构稳定性、Weyl点的微观物理机制、拓扑相变以及钴(Co)基硫铅镍矿及其合金的新奇特性等方面的认识还很欠缺。

来自美国橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心的Mina Yoon领导的团队，系统研究了Co基硫铅镍矿材料的稳定性和电子性质。对于结构稳定性，作者找到了一个很好的“描述符”（即r[M]/r]X]），不仅可以识别硫铅镍矿晶体结构的稳定性，还可以识别磁态的稳定性。对于电子性质，作者发现Weyl点的行为强烈依赖于化学成分。特别是，WSM Co-PbSn-S表现出非常接近费米能级的大的反常霍尔电导，是作为自旋电子传输器件的良好候选者。最后，通过有效的紧束缚模型，作者揭示了Co基Kagome晶格中的能带反转节理线来自Co原子之间的层间耦合，Weyl点的行为主要由Co原子和层间M原子之间的相互作用决定。

作者们的这些研究对Co基Kagome晶格中Weyl费米子的起源给出了清晰的物理图景，并为合成预测的稳定TQM提供了指导。

该文近期发表于npj Computational Materials 7: 2 (2021)，英文标题与摘要如下，点击https://www.nature.com/articles/s41524-020-00461-w可以自由获取论文PDF。

Cobalt-based magnetic Weyl semimetals with high-thermodynamic stabilities

Wei Luo, Yuma Nakamura, Jinseon Park & Mina Yoon

Recent experiments identified Co3Sn2S2 as the first magnetic Weyl semimetal (MWSM). Using first-principles calculation with a global optimization approach, we explore the structural stabilities and topological electronic properties of cobalt (Co)-based shandite and alloys, Co3MM’X2 (M/M’ = Ge, Sn, Pb, X = S, Se, Te), and identify stable structures with different Weyl phases. Using a tight-binding model, for the first time, we reveal that the physical origin of the nodal lines of a Co-based shandite structure is the interlayer coupling between Co atoms in different Kagome layers, while the number of Weyl points and their types are mainly governed by the interaction between Co and the metal atoms, Sn, Ge, and Pb. The Co3SnPbS2 alloy exhibits two distinguished topological phases, depending on the relative positions of the Sn and Pb atoms: a three-dimensional quantum anomalous Hall metal, and a MWSM phase with anomalous Hall conductivity (~1290 Ω−1 cm−1) that is larger than that of Co2Sn2S2. Our work reveals the physical mechanism of the origination of Weyl fermions in Co-based shandite structures and proposes topological quantum states with high thermal stability.