[論文レビュー] A minimal, "hydrogen atom" version of an inversion-breaking Weyl semimetal

Ilya Belopolski, Peng Yu+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、時間反転対称性と逆転対称性の破れを満たす理論的最小値に一致する正確に4つのウェイル点を有する、TaIrTe₄における最小の逆転対称性破れウェイル半金属の最初の実験的実現を示している。ポンププローブ角分解光電子分光法（ARPES）を用いて、フェルミ準位より上位の状態に直接的にウェイル・コーンとトポロジカルなフェルミアークを観測した。これにより、TaIrTe₄がトポロジカルな量子物質の『水素原子』モデル系としての役割を果たすことが確認された。

ABSTRACT

The recent explosion of research interest in Weyl semimetals has led to many proposed Weyl semimetal candidates and a few experimental observations of a Weyl semimetal in real materials. Through this experience, we have come to appreciate that typical Weyl semimetals host many Weyl points. For instance, the first Weyl semimetal observed in experiment, TaAs, hosts 24 Weyl points. Similarly, the Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$ series, recently under study as the first Type II Weyl semimetal, has eight Weyl points. However, it is well-understood that for a Weyl semimetal without inversion symmetry but with time-reversal symmetry, the minimum number of Weyl points is four. Realizing such a minimal Weyl semimetal is fundamentally relevant because it would offer the simplest "hydrogen atom" example of an inversion-breaking Weyl semimetal. At the same time, transport experiments and device applications may be simpler in a system with as few Weyl points as possible. Recently, TaIrTe$_4$ has been predicted to be a minimal, inversion-breaking Weyl semimetal. However, crucially, the Weyl points and Fermi arcs live entirely above the Fermi level, making them inaccessible to conventional angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Here we use pump-probe ARPES to directly access the band structure above the Fermi level in TaIrTe$_4$. We directly observe Weyl points and topological Fermi arcs, showing that TaIrTe$_4$ is a Weyl semimetal. We find that, in total, TaIrTe$_4$ has four Weyl points, providing the first example of a minimal inversion-breaking Weyl semimetal. Our results hold promise for accessing exotic transport phenomena arising in Weyl semimetals in a real material.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性と逆転対称性の破れを満たす条件下で、ウェイル点が4つである最小のウェイル半金属を実現すること。
• TaIrTe₄のような候補材料において、従来のARPESが無効となるフェルミ準位より上位のウェイル状態にアクセスする実験的課題を克服すること。
• TaIrTe₄を、トポロジカルなフェルミアークと特異な輸送現象を研究するための最小で実験的にアクセス可能なプラットフォームとして確立すること。
• 理論的予測であるTaIrTe₄におけるウェイル半金属の状態を、バンド構造とトポロジカル特徴の直接的分光観測によって検証すること。

提案手法

• 250 kHzの繰り返しレートで、1.48 eVのポンプパルスと5.92 eVのプローブパルスを用いたポンププローブARPESを実施し、フェルミ準位より上位の電子状態にアクセスした。
• 超高真空（<5×10⁻¹¹ Torr）および低温度（約8 K）の条件下で測定を実施し、高いエネルギー分解能および角度分解能を確保した。
• VASPを用いた第一原理計算を実施し、スピン軌道結合およびGGA交換相関関数を含めた。
• Ta d、Ir d、Te p軌道から得られるWannier関数を用いて、第一原理的タイトバインディングモデルを構築し、バルクおよび表面の電子構造を模擬した。
• 15×7×7のMonkhorst-Pack k点メッシュと400 eVのカットオフエネルギーを用いて、電子バンド構造のk空間マッピングを実施した。
• 実験的ポンププローブARPESスペクトルと第一原理計算の結果を比較し、ウェイル・コーンおよびフェルミアークの存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されたように、4つのウェイル点のみを有するウェイル半金属が実験的に実現可能であるか？
• RQ2 従来のARPESがフェルミ準位より上位の状態をプローブできないという制限を、ポンププローブARPESが克服できるか？
• RQ3 TaIrTe₄で観測されたウェイル点およびフェルミアークは、最小の逆転対称性破れウェイル半金属のトポロジカル予測と一致するか？
• RQ4 TaAs や MoₓW₁₋ₓTe₂ と比較して、TaIrTe₄におけるフェルミアークの長さは、ブリユアンゾーンのどの程度をカバーしているか？

主な発見

• TaIrTe₄は正確に4つのウェイル点を有しており、これは時間反転対称性と逆転対称性の破れを満たす最小の逆転対称性破れウェイル半金属としての最初の実験的証明である。
• ポンププローブARPESにより、フェルミ準位より上位に位置するウェイル・コーンおよびトポロジカルなフェルミアークを直接可視化し、正確にアクセスできた。
• 観測されたウェイル点およびフェルミアークは、位置、ヘリシティ、分散の面で第一原理計算と良好に一致しており、理論モデルの妥当性が裏付けられた。
• TaIrTe₄におけるフェルミアークは、TaAs や MoₓW₁₋ₓTe₂ と比較して、ブリューヌゾーンのより大きな割合をカバーしており、強化されたトポロジカル表面状態を示している。
• TaIrTe₄におけるウェイル点の配置は、2組の相反するヘリシティを持つものであり、時間反転対称性および結晶対称性の下で最小4点要件を満たしている。
• 本研究の結果により、TaIrTe₄がウェイル半金属の『水素原子』モデル系として機能することが確認された。これは、トポロジカルな量子現象を研究するための簡素化されたプラットフォームを提供する。