[論文レビュー] Anomalies in the temperature evolution of the Dirac states in a topological crystalline insulator SnTe

Ayanesh Maiti, Ram Prakash Pandeya+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、高分解能ARPESおよび第一原理DFT計算を用いて、トポロジカル結晶絶縁体SnTeのディラック表面状態における温度依存性の異常を調査した。バルクバンドおよびディラックコーンの勾配における非単調なシフトは、複雑な混合およびバンド反転の変化に起因し、非調和性とひずみの進行に伴い、フェルミ準位におけるディラック状態の強度が著しく低下することが明らかになった。これは、トポロジカル材料における熱的要因に対する頑健性の仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Discovery of topologically protected surface states, believed to be immune to weak disorder and thermal effects, opened up a new avenue to reveal exotic fundamental science and advanced technology. While time-reversal symmetry plays the key role in most such materials, the bulk crystalline symmetries such as mirror symmetry preserve the topological properties of topological crystalline insulators (TCIs). It is apparent that any structural change may alter the topological properties of TCIs. To investigate this relatively unexplored landscape, we study the temperature evolution of the Dirac fermion states in an archetypical mirror-symmetry protected TCI, SnTe employing high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory studies. Experimental results reveal a perplexing scenario; the bulk bands observed at 22 K move nearer to the Fermi level at 60 K and again shift back to higher binding energies at 120 K. The slope of the surface Dirac bands at 22 K becomes smaller at 60 K and changes back to a larger value at 120 K. Our results from the first-principles calculations suggest that these anomalies can be attributed to the evolution of the hybridization physics with complex structural changes induced by temperature. In addition, we discover drastically reduced intensity of the Dirac states at the Fermi level at high temperatures may be due to complex evolution of anharmonicity, strain, etc. These results address robustness of the topologically protected surface states due to thermal effects and emphasize importance of covalency and anharmonicity in the topological properties of such emerging quantum materials.

研究の動機と目的

• トポロジカル結晶絶縁体（TCI）であるSnTeにおける、トポロジカル的に保護された表面状態の熱的安定性を調査すること。
• 温度に起因する構造的変化が、ディラックフェルミオン状態およびトポロジカル保護に与える影響を特定すること。
• 共有結合性、非調和性、ひずみが、量子材料のトポロジカル性質をどのように制御するかを調査すること。
• フェルミ準位近くのバンド分散およびスペクトル強度の温度依存的変化に関する矛盾を解消すること。

提案手法

• 21.2 eVの光子エネルギーを用い、5 meVのエネルギー分解能を持つ高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）。
• 閉ループヘリウム冷温器を用いて、22 Kから120 Kの範囲でサンプル温度を変化させた。
• VASPを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算、GGA-PBEおよびPAWポテンシャルを用いた。
• 混合効果を特定するための軌道別バンド構造および部分状態密度（PDOS）解析。
• Wannier関数の構築およびWanniertoolsを用いたトポロジカル表面状態の計算。
• 抵抗率、比熱、ラウエ回折の包括的解析により、サンプルの高品質性および相転移の不在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度がSnTeにおけるバルク状態および表面状態のエネルギー位置と分散にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ディラックコーンの勾配およびバルクバンドの位置が温度上昇に伴い非単調にシフトするのはなぜか？
• RQ3 高温においてフェルミ準位近くのディラック状態のスペクトル強度が著しく低下する原因は何か？
• RQ4 非調和性、ひずみ、および混合ダイナミクスが、TCIにおけるトポロジカル保護に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 異なる温度におけるSnTeの構造的歪みは、観測された電子構造の異常を説明できるか？

主な発見

• 22 Kから60 Kの間、バルクバンドはフェルミ準位に近づき、120 Kではさらに高い束縛エネルギーへシフトする。これは非単調な温度依存的変化を示している。
• 22 Kから60 Kにかけて、表面ディラックバンドの勾配は減少し、120 Kで回復する。これはバンド分散の動的変化を示している。
• 第一原理計算により、これらの異常は、温度に起因する構造的歪みに伴う、進化する混合およびバンド反転に起因するとされた。
• フェルミ準位におけるディラック状態のスペクトル強度は、高温で著しく低下しており、複雑な非調和性およびひずみ効果と関連している。
• 抵抗率および比熱データに相転移の痕跡が認められないことから、サンプルの高品質性が確認され、単純な相転移が原因でないことが裏付けられた。
• 共有結合性およびフォノン非調和性が、熱励起下でのトポロジカル保護の不安定化に寄与する主要因であると特定された。