[論文レビュー] Anisotropic Dirac fermions in a Bi square net of SrMnBi2

J. Park, G. Lee+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、高品質な単結晶を用いた第一原理計算、角度分解光電子分光法（ARPES）、および量子振動測定を通じて、SrMnBi2のBi正方形格子内に高い異方性を示すディラックフェルミオンを同定した。ディラックコーンはフェルミ速度の異方性比が約8であり、グラフェンやトポロジカル絶縁体における等方的ディラックフェルミオンとは明確に異なる。本研究により、Bi正方形格子は、電子的性質をチューニング可能な異方的ディラックフェルミオンの新たなプラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

We report the highly anisotropic Dirac fermions in a Bi square net of SrMnBi2, based on a first principle calculation, angle resolved photoemission spectroscopy, and quantum oscillations for high-quality single crystals. We found that the Dirac dispersion is generally induced in the (SrBi)+ layer containing a double-sized Bi square net. In contrast to the commonly observed isotropic Dirac cone, the Dirac cone in SrMnBi2 is highly anisotropic with a large momentum-dependent disparity of Fermi velocities of ~ 8. These findings demonstrate that a Bi square net, a common building block of various layered pnictides, provide a new platform that hosts highly anisotropic Dirac fermions.

研究の動機と目的

• 層状ヒ素化物SrMnBi2におけるディラックフェルミオン、特にそのBi正方形格子構造内での同定と特性評価を目的とする。
• 層状ヒ素化物に共通する構成単位であるBi正方形格子が、異方的分散を示すディラックフェルミオンを有することがあるかを調査すること。
• 複数の実験的・理論的手法を用いて、SrMnBi2におけるディラックフェルミオンの電子状態およびフェルミ速度の異方性を同定すること。
• SrMnBi2および関連化合物が、磁性秩序や超伝導秩序と結合したチューナブルな異方的ディラックフェルミオンのプラットフォームとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いたフルポテンシャル線形化された平面波法（FP-LAPW）による第一原理計算を用いて、電子バンド構造をモデル化した。
• UVSORビームライン7Uで24 eVの光子を用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を、超高真空（7×10⁻¹¹ Torr未満）下での亀裂面単結晶で実施した。
• ドレスデン高磁場ラボラトリーおよびNHMFLで、最大63 Tの高磁場および最大33 Tの磁場を用いた6プローブ磁気抵抗測定を実施した。
• シュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動の解析により、フェルミ面断面積、有効質量、散乱時間、ベリー位相を抽出した。
• オンザーガー関係式（F = (Φ₀/2π²)Aₖ）を用いて、量子振動周波数からフェルミ面断面積を決定した。
• SdHファン図解析により、1/Bₙとランダウ準位番号nの関係における切片を用いてベリー位相を抽出した。非ゼロの切片はディラックフェルミオンの存在を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrMnBi2のBi正方形格子は、異方的分散を示すディラックフェルミオンを有するか。その場合、フェルミ速度の異方性の程度はどの程度か？
• RQ2 特に非ゼロのベリー位相および量子振動の観点から、SrMnBi2にディラックフェルミオンが存在することを裏付ける実験的証拠は何か？
• RQ3 フェルミ速度の異方性およびバンド分散の観点から、SrMnBi2の電子状態は、グラフェンなどの等方的ディラック材料とどのように異なるか？
• RQ4 SrMnBi2の異方的ディラックコーンは、アルカリ土族金属またはヒ素化物の化学置換によってチューニング可能か。MnBi層内の磁性秩序はディラック状態にどのように影響するか？
• RQ5 (SrBi)+層および二重サイズのBi正方形格子が、異方的ディラックコーンの安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• SrMnBi2のディラックコーンは、フェルミ速度の大きな運動量依存性の異方性を示し、最大速度と最小速度の比が約8に達する。これは、非常に高い異方性を示すディラックフェルミオンであることを示している。
• ARPES測定により、Bi正方形格子内に線形エネルギー分散が確認され、ディラック点はブリユアンゾーンのΓ点に位置している。
• 量子振動測定により、フェルミ面ポケットが1つ存在することが判明し、周波数F = 152(5) T、断面積Aₖ = 1.45(5) nm⁻²（ブリユアンゾーンの約0.7%）に相当する。
• サイクロトロン有効質量はm_c = 0.29(2)mₑ、散乱時間はτ = 3.5(5)×10⁻¹⁴ s⁻¹であり、移動度は約250 cm²/Vsに達する。
• SdHファン図はn = -0.40(9)の非ゼロ切片を示し、ベリー位相が0.5に相当することから、非自明なトポロジカル性質を持つディラックフェルミオンの存在が確認された。
• 低有効質量、高移動度、非ゼロのベリー位相の組み合わせにより、SrMnBi2はBi正方形格子に異方的ディラックフェルミオンを有するバルクディラック材料として確立された。