[論文レビュー] Discovery of Weyl semimetal TaAs

Baoliang Lv, Hongming Weng+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 21被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、第一原理計算によってWeylフェルミオンおよび時間反転対称性や空間反転対称性の破れが確認されたことから、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いてTaAsがWeyl半金属であることを実験的に確認した。この発見は、動的空間にキラル異常や磁気モノポールを有するトポロジカル材料の一種であるWeyl半金属の直接的証明を提供する。

ABSTRACT

Weyl semimetals are recently predicted class of materials that can be regarded as three-dimensional analogs of graphene breaking time reversal or inversion symmetry. Electrons in a Weyl semimetal behave as Weyl fermions, which have many exotic properties, such as chiral anomaly and magnetic monopoles in the crystal momentum space. The surface state of a Weyl semimetal displays pairs of entangled Fermi arcs at two opposite surfaces. However, the existence of Weyl semimetals has not yet been proved experimentally. Here we report the experimental realization of a Weyl semimetal in TaAs by observing Fermi arcs formed by its surface states using angle-resolved photoemission spectroscopy. Our first-principles calculations, matching remarkably well with the experimental results, further confirm that TaAs is a Weyl semimetal.

研究の動機と目的

• 理論的に予測されたトポロジカル材料の一種としてのWeyl半金属の存在を実験的に検証すること。
• 時間反転対称性または空間反転対称性の破れによってWeylフェルミオンが出現する材料系を同定すること。
• Weyl半金属に予測された特徴的な表面状態であるフェルミ面の弧を観測し、その特徴を同定すること。
• 第一原理電子構造計算を用いて実験的観測を裏付けること。

提案手法

• TaAsの表面の電子バンド構造をマップするために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• TaAsの電子構造およびトポロジカル性質を計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• 計算されたバンド構造をARPES測定結果と直接比較し、Weyl点およびフェルミ面の弧の存在を確認した。
• トポロジカル的に保護された特徴的な表面状態および運動量空間におけるモノポールの存在を特定することに焦点を当てた分析が行われた。
• 時間反転対称性または空間反転対称性の破れを確認するための対称性解析が用いられた。これは、Weyl半金属の挙動に不可欠な条件である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されたように、TaAsはWeylフェルミオンを有するか？
• RQ2 Weyl半金属に特徴的な表面フェルミ面の弧は、実験的に観測可能か？
• RQ3 第一原理計算が予測するWeyl半金属相と整合するように、TaAsの電子構造は一致するか？
• RQ4 時間反転対称性または空間反転対称性の破れは、TaAsにおけるWeyl点の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• ARPES測定により、運動量空間におけるWeyl点の投影を結ぶ表面状態としてのフェルミ面の弧が観測された。
• 観測されたフェルミ面の弧は、トポロジカル的に保護されており、Weyl半金属の挙動に関する理論的予測と整合的であった。
• 第一原理計算は実験的ARPESデータと高い精度で一致し、TaAsにWeylノードが存在することを確認した。
• TaAsの電子構造は時間反転対称性または空間反転対称性が破れていることが示され、これによりWeylフェルミオンの形成が可能となった。
• タイプIのWeylフェルミオンがWeyl点の近くで線形分散を示し、キラル異常のような特異な量子現象を支持する。