- Open Access
Photoinduced Electronic and Spin Topological Phase Transitions in Monolayer Bismuth
Phys. Rev. Lett. 132, 116601 – Published 12 March, 2024
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.116601
Abstract
Ultrathin bismuth exhibits rich physics including strong spin-orbit coupling, ferroelectricity, nontrivial topology, and light-induced structural dynamics. We use ab initio calculations to show that light can induce structural transitions to four transient phases in bismuth monolayers. These light-induced phases exhibit nontrivial topological character, which we illustrate using the recently introduced concept of spin bands and spin-resolved Wilson loops. Specifically, we find that the topology changes via the closing of the electron and spin band gaps during photoinduced structural phase transitions, leading to distinct edge states. Our study provides strategies to tailor electronic and spin topology via ultrafast control of photoexcited carriers and associated structural dynamics.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
Supplemental Material
References (129)
- S. Murakami, Phys. Rev. Lett. 97, 236805 (2006).
- S. Murakami, New J. Phys. 9, 356 (2007).
- L. Fu, C. L. Kane, and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 98, 106803 (2007).
- S. Murakami, J. Phys. Conf. Ser. 302, 012019 (2011).
- M. Wada, S. Murakami, F. Freimuth, and G. Bihlmayer, Phys. Rev. B 83, 121310(R) (2011).
- D. V. Khomitsky and A. A. Chubanov, J. Exp. Theor. Phys. 118, 457 (2014).
- W. Ning, F. Kong, C. Xi, D. Graf, H. Du, Y. Han, J. Yang, K. Yang, M. Tian, and Y. Zhang, ACS Nano 8, 7506 (2014).
- I. K. Drozdov, A. Alexandradinata, S. Jeon, S. Nadj-Perge, H. Ji, R. J. Cava, B. Andrei Bernevig, and A. Yazdani, Nat. Phys. 10, 664 (2014).
- Y. Lu, W. Xu, M. Zeng, G. Yao, L. Shen, M. Yang, Z. Luo, F. Pan, K. Wu, T. Das, P. He, J. Jiang, J. Martin, Y. P. Feng, H. Lin, and X.-s. Wang, Nano Lett. 15, 80 (2015).
- S. Ito, B. Feng, M. Arita, A. Takayama, R.-Y. Liu, T. Someya, W.-C. Chen, T. Iimori, H. Namatame, M. Taniguchi, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, F. Komori, K. Kobayashi, T.-C. Chiang, and I. Matsuda, Phys. Rev. Lett. 117, 236402 (2016).
- G. Bian, Z. Wang, X.-X. Wang, C. Xu, S. Xu, T. Miller, M. Z. Hasan, F. Liu, and T.-C. Chiang, ACS Nano 10, 3859 (2016).
- F. Schindler, Z. Wang, M. G. Vergniory, A. M. Cook, A. Murani, S. Sengupta, A. Y. Kasumov, R. Deblock, S. Jeon, I. Drozdov, H. Bouchiat, S. Guéron, A. Yazdani, B. A. Bernevig, and T. Neupert, Nat. Phys. 14, 918 (2018).
- A. K. Nayak, J. Reiner, R. Queiroz, H. Fu, C. Shekhar, B. Yan, C. Felser, N. Avraham, and H. Beidenkopf, Sci. Adv. 5, eaax6996 (2019).
- C.-H. Hsu, X. Zhou, T.-R. Chang, Q. Ma, N. Gedik, A. Bansil, S.-Y. Xu, H. Lin, and L. Fu, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 13255 (2019).
- C. König, J. C. Greer, and S. Fahy, Phys. Rev. B 104, 035127 (2021).
- Y. Bai, L. Cai, N. Mao, R. Li, Y. Dai, B. Huang, and C. Niu, Phys. Rev. B 105, 195142 (2022).
- Y. M. Koroteev, G. Bihlmayer, J. E. Gayone, E. V. Chulkov, S. Blügel, P. M. Echenique, and P. Hofmann, Phys. Rev. Lett. 93, 046403 (2004).
- J. I. Pascual, G. Bihlmayer, Y. M. Koroteev, H.-P. Rust, G. Ceballos, M. Hansmann, K. Horn, E. V. Chulkov, S. Blügel, P. M. Echenique, and P. Hofmann, Phys. Rev. Lett. 93, 196802 (2004).
- K. Sugawara, T. Sato, S. Souma, T. Takahashi, M. Arai, and T. Sasaki, Phys. Rev. Lett. 96, 046411 (2006).
- T. Hirahara, T. Nagao, I. Matsuda, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, Y. M. Koroteev, P. M. Echenique, M. Saito, and S. Hasegawa, Phys. Rev. Lett. 97, 146803 (2006).
- T. Hirahara, K. Miyamoto, I. Matsuda, T. Kadono, A. Kimura, T. Nagao, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, S. Qiao, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, and S. Hasegawa, Phys. Rev. B 76, 153305 (2007).
- A. Takayama, T. Sato, S. Souma, and T. Takahashi, Phys. Rev. Lett. 106, 166401 (2011).
- S. Xiao, D. Wei, and X. Jin, Phys. Rev. Lett. 109, 166805 (2012).
- A. Takayama, T. Sato, S. Souma, T. Oguchi, and T. Takahashi, Phys. Rev. Lett. 114, 066402 (2015).
- S. Singh, Z. Zanolli, M. Amsler, B. Belhadji, J. O. Sofo, M. J. Verstraete, and A. H. Romero, J. Phys. Chem. Lett. 10, 7324 (2019).
- T. Nagao, J. T. Sadowski, M. Saito, S. Yaginuma, Y. Fujikawa, T. Kogure, T. Ohno, Y. Hasegawa, S. Hasegawa, and T. Sakurai, Phys. Rev. Lett. 93, 105501 (2004).
- C. Xiao, F. Wang, S. A. Yang, Y. Lu, Y. Feng, and S. Zhang, Adv. Funct. Mater. 28, 1707383 (2018).
- J. Gou, H. Bai, X. Zhang, Y. L. Huang, S. Duan, A. Ariando, S. A. Yang, L. Chen, Y. Lu, and A. T. S. Wee, Nature (London) 617, 67 (2023).
- Y. Hong, J. Deng, X. Ding, J. Sun, and J. Z. Liu, J. Phys. Chem. Lett. 14, 3160 (2023).
- Z. Qian, J. Zhou, H. Wang, and S. Liu, npj Comput. Mater. 9, 67 (2023).
- P. J. Kowalczyk, S. A. Brown, T. Maerkl, Q. Lu, C.-K. Chiu, Y. Liu, S. A. Yang, X. Wang, I. Zasada, F. Genuzio, T. O. Menteş, A. Locatelli, T.-C. Chiang, and G. Bian, ACS Nano 14, 1888 (2020).
- Q. Lu, P. Reddy, H. Jeon, A. R. Mazza, M. Brahlek, W. Wu, S. A. Yang, J. Cook, C. Conner, X. Zhang et al., arXiv:2303.02971.
- B. Wang, X. Zhou, Y.-C. Lin, H. Lin, and A. Bansil, arXiv:2202.04162.
- M. Ezawa, Phys. Rev. Lett. 110, 026603 (2013).
- S. Mocatti, G. Marini, and M. Calandra, J. Phys. Chem. Lett. 14, 9329 (2023).
- E. J. Sie et al., Nature (London) 565, 61 (2019).
- M. Y. Zhang, Z. X. Wang, Y. N. Li, L. Y. Shi, D. Wu, T. Lin, S. J. Zhang, Y. Q. Liu, Q. M. Liu, J. Wang, T. Dong, and N. L. Wang, Phys. Rev. X 9, 021036 (2019).
- J. W. McIver, B. Schulte, F.-U. Stein, T. Matsuyama, G. Jotzu, G. Meier, and A. Cavalleri, Nat. Phys. 16, 38 (2020).
- J. Faure, J. Mauchain, E. Papalazarou, M. Marsi, D. Boschetto, I. Timrov, N. Vast, Y. Ohtsubo, B. Arnaud, and L. Perfetti, Phys. Rev. B 88, 075120 (2013).
- M. Hase, M. Kitajima, S.-i. Nakashima, and K. Mizoguchi, Phys. Rev. Lett. 88, 067401 (2002).
- E. D. Murray, D. M. Fritz, J. K. Wahlstrand, S. Fahy, and D. A. Reis, Phys. Rev. B 72, 060301(R) (2005).
- E. D. Murray, S. Fahy, D. Prendergast, T. Ogitsu, D. M. Fritz, and D. A. Reis, Phys. Rev. B 75, 184301 (2007).
- D. M. Fritz et al., Science 315, 633 (2007).
- S. L. Johnson, P. Beaud, E. Vorobeva, C. J. Milne, E. D. Murray, S. Fahy, and G. Ingold, Phys. Rev. Lett. 102, 175503 (2009).
- I. Timrov, T. Kampfrath, J. Faure, N. Vast, C. R. Ast, C. Frischkorn, M. Wolf, P. Gava, and L. Perfetti, Phys. Rev. B 85, 155139 (2012).
- E. Papalazarou, J. Faure, J. Mauchain, M. Marsi, A. Taleb-Ibrahimi, I. Reshetnyak, A. van Roekeghem, I. Timrov, N. Vast, B. Arnaud, and L. Perfetti, Phys. Rev. Lett. 108, 256808 (2012).
- S. L. Johnson, P. Beaud, E. Möhr-Vorobeva, A. Caviezel, G. Ingold, and C. J. Milne, Phys. Rev. B 87, 054301 (2013).
- L. Perfetti, J. Faure, E. Papalazarou, J. Mauchain, M. Marsi, M. Goerbig, A. Taleb-Ibrahimi, and Y. Ohtsubo, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 201, 60 (2015).
- E. D. Murray and S. Fahy, Phys. Rev. Lett. 114, 055502 (2015).
- S. M. O’Mahony, F. Murphy-Armando, E. D. Murray, J. D. Querales-Flores, I. Savić, and S. Fahy, Phys. Rev. Lett. 123, 087401 (2019).
- E. Prodan, Phys. Rev. B 80, 125327 (2009).
- K.-S. Lin, G. Palumbo, Z. Guo, J. Blackburn, D. P. Shoemaker, F. Mahmood, Z. Wang, G. A. Fiete, B. J. Wieder, and B. Bradlyn, Nat. Commun. 15, 550 (2024).
- G. F. Lange, A. Bouhon, and R.-J. Slager, Phys. Rev. Res. 5, 033013 (2023).
- P. Tangney and S. Fahy, Phys. Rev. Lett. 82, 4340 (1999).
- P. Tangney and S. Fahy, Phys. Rev. B 65, 054302 (2002).
- C. Paillard, B. Xu, B. Dkhil, G. Geneste, and L. Bellaiche, Phys. Rev. Lett. 116, 247401 (2016).
- R. Haleoot, C. Paillard, T. P. Kaloni, M. Mehboudi, B. Xu, L. Bellaiche, and S. Barraza-Lopez, Phys. Rev. Lett. 118, 227401 (2017).
- C. Paillard, S. Prosandeev, and L. Bellaiche, Phys. Rev. B 96, 045205 (2017).
- C. Paillard, E. Torun, L. Wirtz, J. Íñiguez, and L. Bellaiche, Phys. Rev. Lett. 123, 087601 (2019).
- F. Gu, E. Murray, and P. Tangney, Phys. Rev. Mater. 5, 034414 (2021).
- G. Marini and M. Calandra, Phys. Rev. B 104, 144103 (2021).
- G. Marini and M. Calandra, Phys. Rev. Lett. 127, 257401 (2021).
- G. Marini and M. Calandra, Phys. Rev. B 105, L220406 (2022).
- B. Peng, H. Zhang, W. Chen, B. Hou, Z.-J. Qiu, H. Shao, H. Zhu, B. Monserrat, D. Fu, H. Weng, and C. M. Soukoulis, npj 2D Mater. Appl. 4, 14 (2020).
- B. Peng, Y. Hu, S. Murakami, T. Zhang, and B. Monserrat, Sci. Adv. 6, eabd1618 (2020).
- B. Peng, D. Bennett, I. Bravić, and B. Monserrat, Phys. Rev. Mater. 6, L082401 (2022).
- E. S. Zijlstra, L. L. Tatarinova, and M. E. Garcia, Phys. Rev. B 74, 220301(R) (2006).
- S. L. Johnson, P. Beaud, C. J. Milne, F. S. Krasniqi, E. S. Zijlstra, M. E. Garcia, M. Kaiser, D. Grolimund, R. Abela, and G. Ingold, Phys. Rev. Lett. 100, 155501 (2008).
- E. S. Zijlstra, L. E. Díaz-Sánchez, and M. E. Garcia, Phys. Rev. Lett. 104, 029601 (2010).
- Y. Giret, A. Gellé, and B. Arnaud, Phys. Rev. Lett. 106, 155503 (2011).
- P. Giannozzi et al., J. Phys. Condens. Matter 21, 395502 (2009).
- P. Giannozzi, O. Baseggio, P. Bonfà, D. Brunato, R. Car, I. Carnimeo, C. Cavazzoni, S. de Gironcoli, P. Delugas, F. Ferrari Ruffino, A. Ferretti, N. Marzari, I. Timrov, A. Urru, and S. Baroni, J. Chem. Phys. 152, 154105 (2020).
- X. Gonze et al., Comput. Phys. Commun. 205, 106 (2016).
- X. Gonze et al., Comput. Phys. Commun. 248, 107042 (2020).
- A. Dal Corso, Phys. Rev. B 86, 085135 (2012).
- J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, G. I. Csonka, O. A. Vydrov, G. E. Scuseria, L. A. Constantin, X. Zhou, and K. Burke, Phys. Rev. Lett. 100, 136406 (2008).
- T. Sohier, M. Calandra, and F. Mauri, Phys. Rev. B 96, 075448 (2017).
- N. Marzari and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56, 12847 (1997).
- I. Souza, N. Marzari, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 65, 035109 (2001).
- N. Marzari, A. A. Mostofi, J. R. Yates, I. Souza, and D. Vanderbilt, Rev. Mod. Phys. 84, 1419 (2012).
- A. A. Mostofi, J. R. Yates, Y.-S. Lee, I. Souza, D. Vanderbilt, and N. Marzari, Comput. Phys. Commun. 178, 685 (2008).
- A. A. Mostofi, J. R. Yates, G. Pizzi, Y.-S. Lee, I. Souza, D. Vanderbilt, and N. Marzari, Comput. Phys. Commun. 185, 2309 (2014).
- G. Pizzi et al., J. Phys. Condens. Matter 32, 165902 (2020).
- Q. Wu, S. Zhang, H.-F. Song, M. Troyer, and A. A. Soluyanov, Comput. Phys. Commun. 224, 405 (2018).
- See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/PhysRevLett.132.116601 for other transition paths, relative stability of different phases, phonon properties, optical absorption and edge oxidation, which includes Refs. [27,29,31,39,76,86–112].
- S. Zhou, C. Bao, B. Fan, H. Zhou, Q. Gao, H. Zhong, T. Lin, H. Liu, P. Yu, P. Tang, S. Meng, W. Duan, and S. Zhou, Nature (London) 614, 75 (2023).
- J. A. Sobota, S. Yang, J. G. Analytis, Y. L. Chen, I. R. Fisher, P. S. Kirchmann, and Z.-X. Shen, Phys. Rev. Lett. 108, 117403 (2012).
- A. Togo, F. Oba, and I. Tanaka, Phys. Rev. B 78, 134106 (2008).
- A. Togo and I. Tanaka, Scr. Mater. 108, 1 (2015).
- J. Carrete, W. Li, L. Lindsay, D. A. Broido, L. J. Gallego, and N. Mingo, Mater. Res. Lett. 4, 204 (2016).
- Y. Pan and J. Zhou, Phys. Rev. Appl. 14, 014024 (2020).
- I. Errea, M. Calandra, and F. Mauri, Phys. Rev. Lett. 111, 177002 (2013).
- I. Errea, M. Calandra, and F. Mauri, Phys. Rev. B 89, 064302 (2014).
- R. Bianco, I. Errea, L. Paulatto, M. Calandra, and F. Mauri, Phys. Rev. B 96, 014111 (2017).
- L. Monacelli, I. Errea, M. Calandra, and F. Mauri, Phys. Rev. B 98, 024106 (2018).
- L. Monacelli, R. Bianco, M. Cherubini, M. Calandra, I. Errea, and F. Mauri, J. Phys. Condens. Matter 33, 363001 (2021).
- G. Kresse and J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
- G. Kresse and J. Furthmüller, Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).
- M. T. Dove, Introduction to Lattice Dynamics (Cambridge University Press, Cambridge, England, 1993).
- K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, and D. von der Linde, Phys. Rev. B 51, 14186 (1995).
- X.-B. Li, X. Q. Liu, X. Liu, D. Han, Z. Zhang, X. D. Han, H.-B. Sun, and S. B. Zhang, Phys. Rev. Lett. 107, 015501 (2011).
- M. Gajdoš, K. Hummer, G. Kresse, J. Furthmüller, and F. Bechstedt, Phys. Rev. B 73, 045112 (2006).
- E. Puckrin and A. J. Slavin, Phys. Rev. B 42, 1168 (1990).
- G. Parguez, F. Natali, and S. Brown, Curr. Appl. Phys. 8, 287 (2008).
- P. J. Kowalczyk, D. Belic, O. Mahapatra, S. A. Brown, E. S. Kadantsev, T. K. Woo, B. Ingham, and W. Kozlowski, Appl. Phys. Lett. 100, 151904 (2012).
- G. Alessio Verni, B. Long, F. Gity, M. Lanius, P. Schüffelgen, G. Mussler, D. Grützmacher, J. Greer, and J. D. Holmes, RSC Adv. 8, 33368 (2018).
- C. König, S. Fahy, and J. C. Greer, Phys. Rev. Mater. 3, 065002 (2019).
- W. Luo, Y. Zhong, H. Yu, M. Xie, Y. Chen, H. Xiang, and L. Bellaiche, arXiv:2308.04633.
- Z. Jin, B. Hu, Y. Liu, Y. Li, T. Zhang, K. Iida, K. Kamazawa, A. I. Kolesnikov, M. B. Stone, X. Zhang, H. Chen, Y. Wang, I. A. Zaliznyak, J. M. Tranquada, C. Fang, and Y. Li, Phys. Rev. B 106, 224304 (2022).
- A. Bouhon, T. Bzdušek, and R.-J. Slager, Phys. Rev. B 102, 115135 (2020).
- Y. L. Chen, J. G. Analytis, J.-H. Chu, Z. K. Liu, S.-K. Mo, X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S. C. Zhang, I. R. Fisher, Z. Hussain, and Z.-X. Shen, Science 325, 178 (2009).
- Y. H. Wang, D. Hsieh, E. J. Sie, H. Steinberg, D. R. Gardner, Y. S. Lee, P. Jarillo-Herrero, and N. Gedik, Phys. Rev. Lett. 109, 127401 (2012).
- E. Prodan, New J. Phys. 12, 065003 (2010).
- Y. Yang, Z. Xu, L. Sheng, B. Wang, D. Y. Xing, and D. N. Sheng, Phys. Rev. Lett. 107, 066602 (2011).
- A. Bouhon, A. M. Black-Schaffer, and R.-J. Slager, Phys. Rev. B 100, 195135 (2019).
- C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005).
- C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95, 146802 (2005).
- S. M. Young and C. L. Kane, Phys. Rev. Lett. 115, 126803 (2015).
- W. Meng, Y. Liu, W.-W. Yu, X. Zhang, and G. Liu, Mater. Today Phys. 27, 100774 (2022).
- X. Ding, Y. Ge, Y. Jia, G. Gou, Z. Zhu, and X. C. Zeng, ACS Nano 16, 21546 (2022).
- Z.-M. Yu, Z. Zhang, G.-B. Liu, W. Wu, X.-P. Li, R.-W. Zhang, S. A. Yang, and Y. Yao, Sci. Bull. 67, 375 (2022).
- M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
- X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
- J.-W. Rhim, J. H. Bardarson, and R.-J. Slager, Phys. Rev. B 97, 115143 (2018).
- P. Hofmann, Prog. Surf. Sci. 81, 191 (2006).
- G. Bihlmayer, S. Blügel, and E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 75, 195414 (2007).
- Q. Lu, K. Y. Chen, M. Snyder, J. Cook, D. T. Nguyen, P. V. S. Reddy, T.-R. Chang, S. A. Yang, and G. Bian, Phys. Rev. B 104, L201105 (2021).
- Q. Lu, J. Cook, X. Zhang, K. Y. Chen, M. Snyder, D. T. Nguyen, P. V. S. Reddy, B. Qin, S. Zhan, L.-D. Zhao, P. J. Kowalczyk, S. A. Brown, T.-C. Chiang, S. A. Yang, T.-R. Chang, and G. Bian, Nat. Commun. 13, 4603 (2022).
- www.hpc.cam.ac.uk.