[論文レビュー] Discovery of Weyl semimetal state violating Lorentz invariance in MoTe2

Nan Xu, Z. J. Wang+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 48被引用数 51

ひとこと要約

本研究では、歪んだWeylノードによりローレンツ対称性が破れる新しい状態としてのタイプII Weyl半金属であるMoTe2の実験的確認がなされた。角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、単一のトポロジカル電荷を持つWeylノードのペアを接続するフェルミアーク表面状態を直接観測し、第一原理計算の妥当性を裏付け、MoTe2がローレンツ対称性破れWeylフェルミオンを研究するためのプラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

A new type of Weyl semimetal state, in which the energy values of Weyl nodes are not the local extrema, has been theoretically proposed recently, namely type II Weyl semimetal. Distinguished from type I semimetal (e.g. TaAs), the Fermi surfaces in a type II Weyl semimetal consist of a pair of electron and hole pockets touching at the Weyl node. In addition, Weyl fermions in type II Weyl semimetals violate Lorentz invariance. Due to these qualitative differences distinct spectroscopy and magnetotransport properties are expected in type II Weyl semimetals. Here, we present the direct observation of the Fermi arc states in MoTe2 by using angle resolved photoemission spectroscopy. Two arc states are identified for each pair of Weyl nodes whoes surface projections of them possess single topological charge, which is a unique property for type II Weyl semimetals. The experimentally determined Fermi arcs are consistent with our first principle calculations. Our results unambiguously establish that MoTe2 is a type II Weyl semimetal, which serves as a great test bed to investigate the phenomena of new type of Weyl fermions with Lorentz invariance violated.

研究の動機と目的

• ローレンツ不変性の破れを特徴とする、タイプIIとされる新しい種類のWeyl半金属がMoTe2に存在するかを特定・確認すること。
• 歪んだWeylノードを有するWeyl半金属において、理論的予測されたフェルミアーク表面状態が実験的に検証されること。
• ローレンツ対称性が破れるエキゾチックな準粒子を研究するための、MoTe2の強固なプラットフォームとしての確立。
• 実験的観測結果と第一原理計算を比較し、Weyl状態のトポロジカル性を検証すること。

提案手法

• MoTe2のブリユアンゾーン全域における電子バンド構造をマッピングするために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• フェルミアーク状態の存在とトポロジーを特定するため、表面状態の分散を分析した。
• 第一原理密度汎関数理論に基づく理論的計算を実施し、バンド構造およびWeylノードの位置をモデル化した。
• Weylノードの表面投影をマッピングし、トポロジカル電荷を決定することで、フェルミアークごとに1つの電荷を持つことを確認した。
• 磁気輸送および分光的データを、歪んだWeylフェルミオンモデルの文脈で解釈し、ローレンツ対称性の破れを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoTe2は、ローレンツ不変性の破れを示すタイプIIWeyl半金属状態を有するか？
• RQ2 トポロジカルに保護されたフェルミアーク表面状態が、単一のトポロジカル電荷を持つWeylノードを接続するか？
• RQ3 実験的に観測されたフェルミアークは、第一原理計算の予測と一致するか？
• RQ4 ARPES測定は、フェルミ表面のトポロジーに基づいて、タイプIIWeyl半金属とタイプIを明確に区別できるか？

主な発見

• ARPES測定により、MoTe2に2つの明確に異なるフェルミアーク表面状態が直接観測され、それぞれが単一のトポロジカル電荷を持つWeylノードのペアを接続していた。
• 観測されたフェルミアークは、第一原理計算と整合的であり、タイプIIWeyl半金属の理論的予測が裏付けられた。
• MoTe2のWeylノードが歪んでいることが確認され、ローレンツ不変性の破れが生じており、これはタイプIIWeylフェルミオンの特徴的特徴である。
• MoTe2のフェルミ表面は、電子およびホールポケットがWeylノードで接する構造を示しており、タイプII分類が確認された。
• 表面状態は、TaAsのような従来のタイプIWeyl半金属では観測されない、特異なトポロジカル構造を示した。