Npj Comput. Mater.: 氧化物中的拓扑态—如何不再众里寻她千百度？

复杂氧化物表现出非常丰富的物理现象，包括莫特绝缘体，多铁性和高温超导。并且寻找非平庸拓扑态已经成为凝聚态物理领域最热门的课题之一。在钙钛矿氧化物中，因过渡金属原子在(111)方向特有的蜂巢结构，这些体系被预言可实现量子自旋霍尔态。但由于在实验上制备(111)方向生长的钙钛矿氧化物非常困难，因此一直没有显著的进展。该研究选用多种不同过渡金属钙钛矿氧化物，提出了一种在（001）方向堆叠构建(SrMO3)1/(SrM’O3)1氧化物超晶格的方法。

来自上海纽约大学的陈航晖教授团队和来自上海科技大学的李刚教授，通过第一性原理计算以及模型分析，在（001）晶向的氧化物超晶格发现了强拓扑绝缘体和狄拉克半金属。该研究的设计原则是通过两种不同的过渡金属原子的d轨道的能带反转和(001)氧化物超晶格几何构造特别的宇称性质来实现非平庸的拓扑性质。并且通过计算和分析发现，以(SrTaO3)1/(SrIrO3)1为代表的超晶格是具有Z2指数为(1;001)的强拓扑绝缘体。(SrMoO3)1/(SrIrO3)1超晶格更是存在强拓扑绝缘体和拓扑狄拉克半金属的共存相。该研究为在复杂氧化物寻找拓扑态提供了一种新颖可行的方向。

该文近期发表于npj Computational Materials 8：208(2022)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Emergent topological states via digital (001) oxide superlattices

Zhiwei Liu, Hongquan Liu, Jiaji Ma, Xiaoxuan Wang, Gang Li & Hanghui Chen

Oxide heterostructures exhibit many intriguing properties. Here we provide design principles for inducing multiple topological states in (001) (AMO3)1/(AM’O3)1 oxide superlattices. Aided by first-principles calculations and model analysis, we show that a (SrMO3)1/(SrM’O3)1 superlattice (M = Nb, Ta and M’ = Rh, Ir) is a strong topological insulator with Z2 index (1;001). More remarkably, a (SrMoO3)1/(SrIrO3)1 superlattice exhibits multiple coexisting topological insulator (TI) and topological Dirac semi-metal (TDS) states. The TDS state has a pair of type-II Dirac points near the Fermi level and symmetry-protected Dirac node lines. The surface TDS Dirac cone is sandwiched by two surface TI Dirac cones in the energy-momentum space. The non-trivial topological properties arise from the band inversion between d orbitals of two dissimilar transition metal atoms and a particular parity property of (001) superlattice geometry. Our work demonstrates how to induce non-trivial topological states in (001) perovskite oxide heterostructures by rational design.

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