Investigation of novel quasiparticles in topological materials

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften von drei Arten von Quasiteilchen in topologischen nicht-trivialen Materialien untersucht: Weyl-Fermionen, Tripelpunkt-Fermionen und Dirac-Fermionen. Theoretische Berechnungen elektronischer Bandstrukturen für diese Systeme werden mit Ab-initio-Methoden und im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt. Die zugehörigen topologischen Invarianten werden auf der Grundlage des Berry-Krümmungskonzepts auf der Grundlage der maximal lokalisierten Wannier-Funktionen berechnet. Die elektronischen Transporteigenschaften der Weyl-Metalle, wie der intrinsische anomale Hall-Effekt (AHE) und der Spin-Hall-Effekt, werden mithilfe der Kubo-Formel analysiert und berechnet. Um die Oberflächenzustände dieser Quasiteilchen zu untersuchen, werden sowohl ein halb-unendliches Oberflächenmodell als auch ein Plattenmodell verwendet, die konsistente Ergebnisse liefern. Das frühere Modell wird unter Verwendung einer Greenschen Funktionstechnik und das letztere unter Verwendung der ab-initio-Methoden durchgeführt. Einige unserer Vorhersagen wurden experimentell beobachtet, wie die AHE in Mn3Ge und die Quantenoszillationen in PtSe2, während andere noch experimentell überprüft werden müssen.

In the present thesis, the electronic properties of three types of quasiparticles are investigated in topological non-trivial materials: Weyl fermions, triple point fermions and Dirac fermions. Theoretical calculations of electronic band structures for these systems are performed by means of ab-initio methods and in the framework of Density functional theory. The related topological invariants are calculated based on Berry curvature concept within the basis of maximum localized Wannier functions. The electronic transport properties of the Weyl metals, such as the intrinsic anomalous Hall effect (AHE) and spin Hall effect, are analyzed and calculated using Kubo formula. To investigate the surface states originating from these quasiparticles, both a half-infinite surface model and a slab model are utilized and give consistent results. The prior model is performed using a Green's function technique and the latter via the ab-initio methods. Some of our predictions have been observed experimentally, such as the AHE in Mn3Ge and the quantum oscillations in PtSe2, while others still require experimental verification.