[論文レビュー] Discovery of a topological exciton insulator with tunable momentum order

Md Shafayat Hossain, Tyler A. Cochran+28 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、100 K未満で励起子凝縮が発生することで、自発的鏡対称性の破れを介してトポロジカルなバルクギャップが開く、最初の三次元トポロジカル励起子絶縁体であるTa2Pd3Te5を同定した。走査トンネル分光法により、トポロジカルな性質を示すギャップなし境界モードが観測され、5 K近辺の二次的励起子不安定性は磁場に依存する波数を示し、体積相関トポロジカル相におけるチューナブルな動径秩序の証明となった。

ABSTRACT

Correlated topological materials often maintain a delicate balance among physical symmetries: many topological orders are symmetry protected, while most correlated phenomena arise from spontaneous symmetry breaking. It is rare to find cases where symmetry breaking induces a non-trivial topological phase. Here, we present the discovery of such a phase in Ta2Pd3Te5, where Coulomb interactions form excitons, which condense below 100 K, opening a topological gap and creating a topological excitonic insulator. Our spectroscopy reveals the full spectral bulk gap stemming from exciton condensation. This excitonic insulator state spontaneously breaks mirror symmetries but involves a very weak structural coupling, as indicated by photoemission spectroscopy, thermodynamic measurements, and a detailed structural analysis. Notably, scanning tunneling microscopy uncovers gapless boundary modes in the bulk insulating phase. Their magnetic field response, together with theoretical modeling, suggests a topological origin. These observations establish Ta2Pd3Te5 as the first confirmed topological excitonic insulator in a three-dimensional crystal. This allows to access the associated physics through bulk-sensitive techniques. Furthermore, we uncover another surprising aspect of the topological excitonic insulator, a secondary excitonic instability near 5 K that breaks the translational symmetry. The wavevector of this state shows an unprecedented magnetic field tunability. Thus, we unveil a unique sequence of topological exciton condensations in a bulk crystal, offering new opportunities to study critical behavior and excitations.

研究の動機と目的

• 三次元結晶において励起子凝縮がトポロジカル秩序を誘発する相関するトポロジカル相を同定・特徴付けること。
• 強い相関電子系における対称性の破れとトポロジカル保護の相互作用を解明すること。
• 励起子不安定性を通じて体積材料にチューナブルな動径秩序がどのように出現するかを調査すること。
• 体積感受性の分光的技術を用いてトポロジカル励起子相を研究するための基盤を確立すること。

提案手法

• 電子バンド構造とバルクスペクトルギャップをプローブするための角度分解光電子分光法（ARPES）。
• 表面状態を像写し、ギャップなし境界モードを検出するための走査トンネル分光法（STM）。
• 格子結合の強さと対称性の破れを評価するための熱力学的および構造的分析。
• 磁場依存測定を用いて、二次的励起子不安定性の波数を調整すること。
• 観測された境界モードのトポロジカル起源を確認するための理論的モデリング。
• クーロン相互作用駆動の励起子形成と凝縮が、トポロジカルギャップの開口をもたらすメカニズム。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元体積結晶において、励起子凝縮による自発的対称性の破れがトポロジカル相を誘発できるか。
• RQ2 Ta2Pd3Te5の絶縁相における境界モードの性質は何か。また、それらはトポロジカル起源を持つのか。
• RQ3 二次的励起子不安定性の波数は外部磁場にどのように応答するか。
• RQ4 対称性の破れが見られるにもかかわらず、励起子絶縁体相における構造的結合はどれほど弱いか。
• RQ5 ARPESやSTMのような体積感受性技術が、励起子絶縁体のトポロジカル性質を信頼性を持ってプローブできるか。

主な発見

• 100 K未満でTa2Pd3Te5に完全なスペクトルバルクギャップが観測され、これは励起子凝縮に起因すると直接的に帰属された。
• 走査トンネル分光法によりギャップなし境界モードが検出され、磁場応答はトポロジカル起源と整合的であった。
• 5 K近辺の二次的励起子不安定性は、磁場でチューナブルな波数を示し、新たな形態の動径秩序を示した。
• 鏡対称性の破れは、光電子分光および熱力学的測定により確認されたように、最小限の構造的歪みで発生した。
• 理論的モデリングにより、非自明なZ2不変量を有するトポロジカル励起子絶縁体相の存在が支持された。
• Ta2Pd3Te5は、トポロジカル励起子物理学へのバルクアクセスを可能にする、最初に確認された三次元トポロジカル励起子絶縁体として確立された。