世界上的（高质量）拓扑材料
摘要
拓扑量子化学（TQC）将给定材料的化学与对称结构与其拓扑性质联系起来。该领域列出了材料中 10398 个实空间原子极限的数据，并求解了动量空间中电子能带的兼容性关系。不是原子极限或其能带不满足兼容性关系的材料，即为拓扑绝缘体/半金属。我们利用 TQC 寻找世界上化学计量比的非磁性“高质量”拓扑材料。我们为 VASP 开发了若干代码扩展，可计算布里渊区（BZ）中所有高对称点上所有对称性的所有特征标。随后利用 TQC 我们开发了代码以检查 ICSD 中哪些材料是拓扑的。在经筛选的 ICSD 数据库的 26938 种化学计量比材料中，我们发现 2861 种拓扑绝缘体（TI）和 2936 种拓扑半金属（其中非 f 电子的分别为 2505 和 2560 种）。我们的方法独特地能够表明所发现的 TI 均无脆弱拓扑。我们将拓扑材料划分为不同的物理类别。对于 5797 种“高质量”拓扑材料中的大多数，我们计算了：拓扑类别（TQC 基本能带表示的等价类——等价于拓扑指数）、保护该拓扑类别的对称性、高对称点上的表示以及直接带隙（对于绝缘体）和拓扑指数。对于拓扑半金属，我们进而计算系统在破缺对称性后是否成为拓扑绝缘体（我们计算其指数/类别）——这对实验很有用。以此方式又获得了 2152 种 TI。对于几乎全部 5065 种非 f 电子拓扑材料，我们提供了电子能带结构，从而可识别定量性质（带隙、速度）。值得注意的是，我们的穷举结果表明自然界中很大比例（约 24%！）的材料是拓扑的（由“低质量”材料的计算所确认）。我们通过 Wilson 环计算确认了若干新材料的拓扑性。我们在毕尔巴鄂晶体学服务器（BCS）上添加了开源代码和终端用户按钮，可检查任何材料的拓扑性。我们评论了各化合物的化学组成，并抽样了部分“低质量”ICSD 数据以发现更多材料。
引用
@article{arxiv.1807.10271,
title = {The (High Quality) Topological Materials In The World},
author = {M. G. Vergniory and L. Elcoro and C. Felser and N. Regnault and B. A. Bernevig and Z. Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:1807.10271},
year = {2019}
}
备注
1958 pages and 4989 figures. New Version, several minor bugs, typos, and lists corrected; the current version of our codes have been now released on http://www.cryst.ehu.es/cryst/checktopologicalmat where the topological nature of any material can be checked