[論文レビュー] Electronic Evidence for Type II Weyl Semimetal State in MoTe2

Aiji Liang, Jianwei Huang+34 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、高分解能レーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、MoTe2におけるタイプII Weyl半金属状態の直接的な電子的証拠を提供する。著者らは、バルク電子およびホールポケットを接続する1つの表面状態を特定し、フェルミ準位から約40 meV上に、理論的予測と一致する空間的配置を示す強度の高い離散的スポット状の特徴を観測した。これは、MoTe2に2組のタイプII Weyl点が存在することを強く支持する。

ABSTRACT

Topological quantum materials, including topological insulators and superconductors, Dirac semimetals and Weyl semimetals, have attracted much attention recently for their unique electronic structure, spin texture and physical properties. Very lately, a new type of Weyl semimetals has been proposed where the Weyl Fermions emerge at the boundary between electron and hole pockets in a new phase of matter, which is distinct from the standard type I Weyl semimetals with a point-like Fermi surface. The Weyl cone in this type II semimetals is strongly tilted and the related Fermi surface undergos a Lifshitz transition, giving rise to a new kind of chiral anomaly and other new physics. MoTe2 is proposed to be a candidate of a type II Weyl semimetal; the sensitivity of its topological state to lattice constants and correlation also makes it an ideal platform to explore possible topological phase transitions. By performing laser-based angle-resolved photoemission (ARPES) measurements with unprecedentedly high resolution, we have uncovered electronic evidence of type II semimetal state in MoTe2. We have established a full picture of the bulk electronic states and surface state for MoTe2 that are consistent with the band structure calculations. A single branch of surface state is identified that connects bulk hole pockets and bulk electron pockets. Detailed temperature-dependent ARPES measurements show high intensity spot-like features that is ~40 meV above the Fermi level and is close to the momentum space consistent with the theoretical expectation of the type II Weyl points. Our results constitute electronic evidence on the nature of the Weyl semimetal state that favors the presence of two sets of type II Weyl points in MoTe2.

研究の動機と目的

• MoTe2におけるタイプII Weyl半金属状態の直接的電子的証拠を提供すること。
• 表面状態およびその運動量・エネルギー特性を特定することで、MoTe2におけるWeyl点の性質を解明すること。
• 温度依存的ARPES測定を用いて、温度誘発のトポロジカル相転移の可能性を検討すること。
• 実験データに基づいて、MoTe2におけるWeyl点構成の競合する理論モデル（2組または4組のタイプII Weyl点）を区別すること。

提案手法

• MoTe2の電子状態をマップするために、超高エネルギー分解能および超高運動量分解能を有する高分解能レーザーを用いたARPESを採用した。
• 30–200 Kの温度範囲で温度依存的ARPES測定を実施し、安定性を評価し、相転移の有無を同定した。
• s偏光およびp偏光光を用いて光電子放出行列要素効果を調べ、表面状態の特徴を区別した。
• 第一原理バンド構造計算と実験的ARPESデータを比較し、Weyl点の存在を検証した。
• フェルミ面およびバルクバンドをマッピングし、電子およびホールポケットを接続する表面状態を特定した。
• エネルギーおよび運動量にわたるスペクトル重みの変化を分析し、理論的予測されたWeyl点位置付近の強固で離散的な強度特徴を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoTe2はタイプII Weyl半金属状態を有しており、その電子的シグナルは何か？
• RQ2 観測された表面状態は、MoTe2における1つのWeyl点構成または複数のWeyl点構成と整合的か？
• RQ3 理論的モデルが示唆するように、温度変化がMoTe2におけるトポロジカル相転移を誘発するか？
• RQ4 フェルミ準位から約40 meV上に観測された強度特徴は、理論的に予測されたタイプII Weyl点の運動量およびエネルギー位置と一致するか？
• RQ5 実験的ARPESデータは、2組のタイプII Weyl点を有するモデルか、4組のタイプII Weyl点を有するモデルか、どちらを支持するか？

主な発見

• バルク電子およびホールポケットを接続する1つの表面状態が、タイプII Weyl半金属状態と整合的であると特定された。
• フェルミ準位から約40 meV上に、強度が高く、離散的なスポット状の特徴が観測され、理論的予測と一致する運動量位置に位置していた。
• スペクトル重みの分布は、フェルミ準位では滑らかであったが、約40 meVで急激に局在化した鋭いピークに変化し、Weyl点における強固な準粒子励起を示している。
• バルクバンドおよび表面状態を含む観測された電子状態は、30 Kから200 Kの温度範囲で安定しており、この範囲に顕著なトポロジカル相転移は観測されなかった。
• 関連する運動量領域に1つの表面状態しか存在しないため、4組のタイプII Weyl点を有するモデルは排除され、2組のタイプII Weyl点を有するモデルが支持された。
• 実験的データは、特定の格子および電子相関条件下でのバンド構造計算が予測するように、MoTe2に2組のタイプII Weyl点が存在することを強く支持する。