反転対称性を備えた3次元ディラックフォノン

バルクディラックフェルミオンに関連するディラックの半分は、トポロジカル電子システムでよく知られています。対照的に、結晶性固体の3次元（3D）DIRACフォノンはまだ利用できません。ここでは、対称的な引数と第一原理計算を実行して、反転対称性のあるすべての空間グループの3D DIRACフォノンを体系的に調査します。結果は、勢い空間の保護メカニズムと位置に応じて、3D DIRACフォノンの2つのカテゴリがあることを示しています。最初のカテゴリは、高い対称点での4次元の既約表現から発生します。2番目のカテゴリは、フォノンブランチの反転から生じ、対称性はディラックポイントが高い対称線に沿って配置されることを保証します。さらに、非内容対称と反転と時間反転の対称性の組み合わせが、3D DIRACフォノンの出現に重要な役割を果たすことを明らかにします。私たちの仕事は、3D DIRACフォノンの包括的な理解を提供するだけでなく、フォノニックシステムとフォトニックシステムの両方でディラックボソンを探索するための重要なガイダンスも提供します。

Dirac semimetals associated with bulk Dirac fermions are well known in topological electronic systems. In sharp contrast, three-dimensional (3D) Dirac phonons in crystalline solids are still unavailable. Here we perform symmetry arguments and first-principles calculations to systematically investigate 3D Dirac phonons in all space groups with inversion symmetry. The results show that there are two categories of 3D Dirac phonons depending on their protection mechanisms and positions in momentum space. The first category originates from the four-dimensional irreducible representations at the high symmetry points. The second category arises from the phonon branch inversion, and the symmetry guarantees Dirac points to be located along the high symmetry lines. Furthermore, we reveal that nonsymmorphic symmetries and the combination of inversion and time-reversal symmetries play essential roles in the emergence of 3D Dirac phonons. Our work not only offers a comprehensive understanding of 3D Dirac phonons but also provides significant guidance for exploring Dirac bosons in both phononic and photonic systems.