Tubene: An Exotic Two-Dimensional Carbon Allotrope with Abundant Topological Quantum States

布里渊区 简并能级 物理 拓扑(电路) 半金属 凝聚态物理 量子态 量子 碳纳米管 带隙 量子力学 纳米技术 材料科学 数学 组合数学
作者
Yaolin Wang,Tielei Song,Yuquan Cheng,Yang Yu,Meichao Liu,Xin Cui,Zhifeng Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (43): 21423-21430 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05433
摘要

Searching for various topological quantum states near the Fermi level is a hot topic in the field of condensed matter physics. On the basis of first-principles calculations, we predict a new two-dimensional (2D) carbon allotrope assembled by (6,0) carbon nanotubes, termed Tubene. Our results show that Tubene has superb dynamical and thermal stability; in energy, it is even more stable than several synthesized 2D carbon allotropes. The analysis of the electronic properties reveals that it is an intrinsic topological semimetal with two open nodal lines across the whole first Brillouin zone, which are protected by the Mz mirror symmetry. Remarkably, multiple quantum states can be induced by modest strains, including nodal line states and different isolated nodal point states (e.g., quadratic Weyl state, linear type-II Weyl state, and linear triple degenerate state). In the low-energy band of these nodal points, strong dispersion anisotropy is detected; in particular, along a special k-direction, a kind of intriguing critical dispersion is identified for the first time, which consists of a quadratic conductive band and a valence flat band. These findings not only enrich the family of carbon allotropes but also highlight a nanotube-based assembly strategy for designing new 2D topological materials with various desirable quantum states.
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