非对称材料中的 $n$-沙漏型 Weyl 费米子

由非对称空间群对称性保护的沙漏型能带结构可出现在布里渊区中的高对称线或高对称面上。本工作中，通过对称性分析，我们证明：在具有单一 $N$ 重螺旋轴且自旋轨道耦合有限的非磁性材料中，沿螺旋不变线必然出现 $n$-沙漏型能带结构——它是沙漏型能带结构的推广，并承载若干 Weyl 点；其中 $n$ 为 $N$ 的非单位因子，表示螺旋不变线的阶数。"标准" $n$-沙漏具有 $n-1$ 个交叉（为最小数目），其变体可有更多交叉。仅基于对称性考虑，我们发现：在适当填充下，至少存在两个电子型与两个空穴型费米口袋，分别包围具有相反单极电荷的 Weyl 点，这可导致包括拓扑密度波的可能形成与量子非线性霍尔效应在内的显著物理效应。我们构造了一个满足所有对称性的最小模型，并从中看到当自旋轨道耦合开启时 $n$-沙漏如何出现。相同结果亦由相容关系导出。作为示例，第一性原理计算表明 BiPd、高压下的 ZnTe 以及 Tl$_3$PbBr$_5$ 的高温相分别具有 $N=2,3,4$ 的 $n$-沙漏型能带结构，证实了我们的对称性分析与最小模型。