NbN 多型体中的电声耦合、超导性与非平凡能带拓扑

在本文中，我们通过基于 DFT-GGA 的系统性第一性原理计算，研究了 $\delta$-NbN、$\varepsilon$-NbN 和 WC-NbN 的电子能带结构、晶格动力学与电声相互作用。计算得到的电子能带结构显示，这三种多型体均为金属性，且在费米能级（$E_F$）附近由 Nb 的 $d$ 轨道主导能带。计算得到的 $\delta$-NbN 声子色散关系与中子散射实验吻合良好。$\delta$-NbN 中的电声耦合（$\lambda$）（$\lambda=0.98$）远强于 $\varepsilon$-NbN（$\lambda=0.16$）和 WC-NbN（$\lambda=0.11$）。这导致其超导转变温度（$T_c =18.2$ K）远高于 $\varepsilon$-NbN 和 WC-NbN（$T_c \le 1.0$ K）。$\delta$-NbN 中更强的 $\lambda$ 和更高的 $T_c$ 归因于其在 $E_F$ 处较大的态密度和较小的德拜温度。计算得到的 $\delta$-NbN 的 $T_c$ 与实验值吻合良好。然而，预测的 $\varepsilon$-NbN 的 $T_c$ 远小于近期实验（11.6 K），但与较早的实验一致。最后，计算得到的相对论能带结构揭示三种 NbN 多型体均为拓扑金属。具体而言，$\varepsilon$-NbN 和 $\delta$-NbN 分别为 I 型和 II 型狄拉克金属，而 WC-NbN 是一种具有罕见三重简并节点的新兴拓扑金属。所有这些结果表明，这三种 NbN 多型体都应是具有非平凡能带拓扑的硬超导体，这将为研究能带拓扑与超导性相互作用所产生的迷人现象提供宝贵机会。