From atomic semimetal to topological nontrivial insulator

拓扑绝缘体 半金属 电子 原子轨道 物理 绝缘体(电) 齐次空间 凝聚态物理 带隙 半导体 拓扑(电路) 量子力学 几何学 数学 光电子学 组合数学
作者
Xiaoping Qiu,Da‐Shuai Ma,Cheng‐Cheng Liu,Zhi‐Ming Yu,Yugui Yao
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:105 (16) 被引量:13
标识
DOI:10.1103/physrevb.105.165135
摘要

Topological band insulators and (semi-) metals can arise out of atomic insulators when the hopping strength between electrons increases. Such topological phases are separated from the atomic insulator by a bulk gap closing. In this work, we show that in many (magnetic) space groups, the crystals with certain Wyckoff positions and orbitals being occupied must be semimetal or metals in the atomic limit, e.g. the hopping strength between electrons is infinite weak but not vanishing, which then are termed atomic (semi-)metals (ASMs). We derive a sufficient condition for realizing ASMs in spinless and spinful systems. Remarkably, we find that increasing the hopping strength between electrons may transform an ASM into an insulator with both symmetries and electron fillings of crystal are preserved. The induced insulators inevitably are topologically non-trivial and at least are obstructed atomic insulators (OAIs) that are labeled as trivial insulator in topological quantum chemistry website. Particularly, using silicon as an example, we show ASM criterion can discover the OAIs missed by the recently proposed criterion of filling enforced OAI. Our work not only establishes an efficient way to identify and design non-trivial insulators but also predicts that the group-IV elemental semiconductors are ideal candidate materials for OAI.

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