Ⅱ型狄拉克半金属NiTe2超导电性和拓扑表面态的研究

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拓扑超导体是设计新一代量子计算机及自旋电子器件的重要途径。拓扑半金属本身就是具有拓扑性质的,在同时具有超导电性的拓扑半金属中探索拓扑超导的存在成为人们目前的关注点。NiTe2属于Ⅱ型狄拉克半金属,它的狄拉克点距离费米能级非常近,因而它是拓扑超导体的潜在材料。在本文中,我们将通过第一性原理计算研究NiTe2的电子结构,晶格动力学和电声子相互作用。另外,我们将研究NiTe2(001)表面的拓扑表面态,并通过掺杂将其调至费米能级附近。最后,我们讨论了NiTe2中可能存在的拓扑超导电性。本文的研究工作主要分为以下两个部分:(1)NiTe2的超导电性在NiTe2体材料中,我们的第一性原理计算结果表明其狄拉克点距离费米能级非常近,沿着[001]方向,存在一个倾斜的狄拉克锥,这也表明NiTe2是一个Ⅱ型狄拉克半金属。在狄拉克点附近的拓扑非平凡带的电子线宽较大,说明构成狄拉克点的非平凡线性带和声子之间具有较强的耦合作用,表明该非平凡线性带对NiTe2超导电性能够起到重要作用,在NiTe2中有可能实现拓扑超导。在NiTe2中,穿越费米能级的能带同时包括了形成倾斜狄拉克锥的非平凡线性色散带和拓扑平凡带,其狄拉克点附近结构复杂的费米面同时包含了电子和空穴口袋,因此我们认为传统和非传统的配对可能在NiTe2中同时存在。我们根据传统的BCS理论估算得到的电-声子耦合常数λ为0.51,超导转变温度为1.5 K。另一方面,由于NiTe2中的狄拉克点非常靠近费米能级,所以与轨道动量锁定相关的非传统奇宇称配对态很可能在NiTe2中实现。因此我们认为NiTe2是探寻拓扑超导体的候选材料。(2)NiTe2的拓扑表面态我们研究了NiTe2(001)表面起源于非平凡的Z2不变量的拓扑表面态,该表面态与体能带中的Ⅱ型狄拉克点无关。我们的计算结果表明该表面态位于费米能级下方1.2 e V处,具有弱拓扑性质。这个螺旋形的表面态和拓扑绝缘体中表面态非常相似,它的自旋和动量都是锁定的并且和体态很好地分开。我们通过加两个空穴和用V原子替代的方式将该拓扑表面态调至费米能级附近。我们认为,对于NiTe2来说,由于体材料和表面之间的自然临近效应,二维表面的拓扑超导电性很可能会在NiTe2中实现。
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