[論文レビュー] A strongly robust Weyl fermion semimetal state in Ta$_{3}$S$_{2}$

Guoqing Chang, Su‐Yang Xu+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、第一原理計算と対称性解析を用いて、既知の候補の中でモーメンタム空間内でのWeylノードの分離が最大である、非常に頑丈なタイプ-II Weyl半金属Ta₃S₂の提案を行う。その分離距離はTaAsの約2倍、WTe₂の約20倍に達する。頑丈さは、内在的な構造的安定性、微調整の必要なし、および格子拡張によってアクセス可能なトポロジカルな金属-絶縁体転移に起因し、 chirality異常の探索や将来のデバイス応用に最適である。

ABSTRACT

Weyl semimetals are extremely interesting. Although the first Weyl semimetal was recently discovered in TaAs, research progress is still significantly hindered due to the lack of robust and ideal materials candidates. In order to observe the many predicted exotic phenomena that arise from Weyl fermions, it is of critical importance to find robust and ideal Weyl semimetals, which have fewer Weyl nodes and more importantly whose Weyl nodes are well separated in momentum space and are located close to the chemical potential in energy. In this paper, we propose by far the most robust and ideal Weyl semimetal candidate in the inversion breaking, single crystalline compound tantalum sulfide Ta$_3$S$_2$ with new and novel properties beyond TaAs. We find that Ta$_3$S$_2$ has only 8 Weyl nodes, all of which have the same energy that is merely 10 meV below the chemical potential. Crucially, our results show that Ta$_3$S$_2$ has the largest $k$-space separation between Weyl nodes among known Weyl semimetal candidates, which is about twice larger than TaAs and twenty times larger than the predicted value in WTe$_2$. Moreover, we predict that increasing the lattice by $<4\%$ can annihilate all Weyl nodes, driving a novel topological metal-to-insulator transition from a Weyl semimetal state to a topological insulator state. We further discover that changing the lattice constant can move the Weyl nodes and the van Hove singularities with enhanced density of states to the chemical potential. Our prediction provides a critically needed robust candidate for this rapidly developing field. The well separated Weyl nodes, the topological metal-to-insulator transition and the remarkable tunabilities suggest Ta$_3$S$_2$'s potential as the ideal platform in future device-applications based on Weyl semimetals.

研究の動機と目的

• モーメンタム空間内でのWeylノードの分離が最大となるWeyl半金属を同定・設計し、実験的観測可能性と頑丈さを向上させること。
• 結晶構造、対称性、バンドトポロジーに基づいて、頑丈なWeyl半金属候補を予測する一般的手法を確立すること。
• 既知のWeyl半金属候補の中で、Ta₃S₂が最大のk空間内でのWeylノード分離を示すことを実証すること。TaAsやWTe₂を上回る。
• 格子工学を用いた方法で、Ta₃S₂におけるトポロジカルな金属-絶縁体転移を誘発する実験的に実現可能な経路を探索すること。
• Weylフェルミオンの実験的観測可能性を、ノードがフェルミレベルに近接していることから、光電子分光法および輸送測定法によって検証すること。

提案手法

• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、Ta₃S₂における電子バンド構造およびWeylノード位置の計算を行う。
• Weylノード近傍のバンド分散を分析し、傾いた円錐構造とサドルポイントバンド構造を特徴とするタイプ-IIWeylフェルミオンの挙動を確認する。
• バンドのサドルポイント性に起因し、Weylノードにヴァン・ホーフェ・特異点が存在することを同定し、状態密度の増大をもたらす。
• 反転対称性の欠如を対称性解析により確認し、トポロジカルにWeylノードが保護されていることを裏付ける。
• 構造的歪みによる格子拡張のシミュレーションを実施し、トポロジカル絶縁体状態へのトポロジカル相転移を予測する。
• b格子定数を約4%増加させるための3つの実験的ルートを提案する：外部圧力（約6 GPa）、格子不整合な基板を用いたエpitaxialひずみ、および同電子置換（例：SをSeに置換）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ta₃S₂におけるWeylノードのモーメンタム空間内での分離距離はどの程度であり、他の既知のWeyl半金属候補と比べてどうか？
• RQ2 化学組成や外部場の微調整なしに、Ta₃S₂が頑丈なWeyl半金属状態を有することができるか？
• RQ3 Ta₃S₂におけるWeyl半金属からトポロジカル絶縁体へのトポロジカル相転移の経路は何か？また、実験的にアクセス可能か？
• RQ4 Weylノードに存在するヴァン・ホーフェ特異点が、Ta₃S₂の電子的および輸送特性に与える影響は何か？
• RQ5 光電子分光法または走査トンネル分光法を用いて、Ta₃S₂におけるWeylノード分離を実験的に解像可能か？

主な発見

• Ta₃S₂は、既知のWeyl半金属候補の中で最大のk空間内でのWeylノード分離を示す。その値はTaAsの約2倍、WTe₂の約20倍に達する。
• Ta₃S₂のWeylノードはフェルミレベルに近接しており、角度分解光電子分光法（ARPES）による直接観測が可能である。
• Weylノード近傍のバンド構造はサドルポイントを形成し、ヴァン・ホーフェ特異点を生じ、状態密度を増大させ、状態密度の一次微分に特異点をもたらす。
• b格子定数を約4%増加させると、すべてのWeylノードが消滅し、系がトポロジカル絶縁体相に転移すると予測される。
• 必要な格子拡張は、外部圧力（約6 GPa）、不適合基板を用いたエpitaxialひずみ、または同電子置換（例：Ta₃(S₁₋ₓSeₓ)₂）によって実験的に達成可能である。
• Ta₃S₂は単結晶で、反転対称性が破れている化合物であるため、内在的に安定であり、 chirality異常やモノポール物理学の実験的探査に実用的である。