[論文レビュー] Arc-tunable Weyl Fermion metallic state in Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$

Tay‐Rong Chang, Su‐Yang Xu+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、第一原理計算を用いてMo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$における調整可能なWeyl金属状態を提案し、室温でもわずか2%のMoドーピングでWeylフェルミオンが安定化することを示している。モーター空間におけるWeylノード間の分離距離——したがってフェルミアークの長さ——は、Mo濃度を変化させることで、0から約3%のブリユアンゾーンに連続的に調整可能であり、TaAs系に続く、実験的に実現可能なトポロジカルWeyl物理学の独自のルートを提供する。

ABSTRACT

Weyl semimetals may open a new era in condensed matter physics because they provide the first example of Weyl fermions, realize a new topological classification even though the system is gapless, exhibit Fermi arc surface states and demonstrate the chiral anomaly and other exotic quantum phenomena. So far, the only known Weyl semimetals are the TaAs class of materials. Here, we propose the existence of a tunable Weyl metallic state in Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$ via our first-principles calculations. We demonstrate that a 2% Mo doping is sufficient to stabilize the Weyl metal state not only at low temperatures but also at room temperatures. We show that, within a moderate doping regime, the momentum space distance between the Weyl nodes and hence the length of the Fermi arcs can be continuously tuned from zero to ~ 3% of the Brillouin zone size via changing Mo concentration, thus increasing the topological strength of the system. Our results provide an experimentally feasible route to realizing Weyl physics in the layered compound Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$, where non-saturating magneto-resistance and pressure driven superconductivity have been observed.

研究の動機と目的

• 層状遷移金属ジ chalcogenide において、Weyl半金属物理学を実現する新たな実験的にアクセス可能なプラットフォームを同定すること。
• 特にTaAs系に見られるように、制御可能なフェルミアーク長を有さない既存のWeyl半金属における可変性の欠如に対処すること。
• Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$において、Mo濃度を変化させることでWeylノードとフェルミアークが安定化され、調整可能であることを示すこと。
• 1つの材料系において、チラル異常や非飽和磁気抵抗といった特異な量子現象を観測する理論的基盤を提供すること。
• エネルギーオフセットを持つWeylノードおよびタイプIIWeylコーンを有する系における、定エネルギー面状態とフェルミアークの接続性との関係を明確にすること。

提案手法

• Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$の電子バンド構造を、さまざまなMo濃度において第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により計算する。
• バンド縮重をモーメンタム空間で分析し、Berry曲率モノポールを計算することで、Weylノードの位置とヘリシティ電荷を特定する。
• 異なるエネルギーにおける定エネルギー等高線からフェルミアークの接続性を再構築し、バルクポケットを横切る表面状態バンドを追跡する。
• エネルギースライスごとのバルクフェルミポケット（電子的およびホール的）の進化を分析し、トポロジカル表面状態をマップする。
• Weylノード間のモーメンタム空間的距離を測定することで、システムのトポロジカル強度を定量化し、これはフェルミアーク長に比例する。
• ドーピングレベルにわたるWeyl状態の安定性を評価し、特に約0.5%のMoドーピングにおける臨界点で、ギャップ状態からWeyl半金属相に移行することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に実現可能なMoドーピングレベルで、Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$におけるWeyl金属状態を安定化させることは可能か？
• RQ2 フェルミアークの長さ——トポロジカル強度の指標として用いられる——は、Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$におけるMo濃度にどのように依存するか？
• RQ3 Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$における定エネルギー表面マップが、直感的でないフェルミアーク接続性を示すのはなぜか？ これは実際のWeylノードペアリングとどのように整合するか？
• RQ4 Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$におけるWeyl半金属相は、室温および中程度のドーピング条件下でも安定か？
• RQ5 外部圧力によってWeylノードは消滅させられ、これは調整可能なトポロジカル相転移を示唆するか？

主な発見

• 2%のMoドーピングでさえ、室温でもWeyl金属状態が安定化される。
• Mo濃度が臨界点から増加するに従い、フェルミアーク長は0から約3%のブリユアンゾーンサイズに連続的に増加する。
• ~0.5%のMoドーピングで、系は臨界点に達し、伝導帯と価電子帯が接する。これはWeylノード形成の開始を示す。
• フェルミアークは、W1(-)とW2(+)のWeyルノードを接続しているが、定エネルギーマップ上ではそのような接続性が明らかでないため、エネルギー依存のバンド進化に起因する。
• 定エネルギー等高線における表面状態バンドは、複数のエネルギースライスにわたるクロスオーバーを追跡することで、真のフェルミアークを再構築していることが示された。
• Weylノード間の距離で定量化されるシステムのトポロジカル強度は、化学ドーピングによって調整可能であり、これはTaAs系のWeyl半金属には見られない特徴である。