[論文レビュー] Evidence of both surface and bulk Dirac bands in ZrSiS and the unconventional magnetoresistance

Xuefeng Wang, Xingchen Pan+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、角度別光電子分光法（ARPES）、量子振動測定および密度汎関数理論（DFT）計算を組み合わせることで、ZrSiSにおける表面およびバルクのディラックバンドの直接的証明を提供する。53 Tまでの非従来型で飽和しない磁気抵抗が観測され、バタフライ型の角度依存性を示し、非自明なベリー位相を有するバルクディラックコーンと、1.80×10⁻³ Å⁻²のフェルミ面積を明らかにした。これは20 T未満で量子限界に達する。

ABSTRACT

The unconventional magnetoresistance of ZrSiS single crystals is found unsaturated till the magnetic field of 53 T with the butterfly shaped angular dependence. Intense Shubnikov-de Haas oscillations resolve a bulk Dirac cone with a nontrivial Berry phase, where the Fermi surface area is 1.80*10^-3 Å-2 and reaches the quantum limit before 20 T. Angle resolved photoemission spectroscopy measurement reveals an electronic state with the two-dimensional nature around the X point of Brillouin zone boundary. By integrating the density functional theory calculations, ZrSiS is suggested to be a Dirac material with both surface and bulk Dirac bands.

研究の動機と目的

• ZrSiSの電子構造を調査し、バルク状態および表面状態にディラックフェルミオンが存在するかを特定すること。
• ZrSiS単結晶で観測された非従来型磁気抵抗の起源を理解すること。
• ZrSiSが対称性によって保護された安定なディラックコーンを有するディラック半金属相を示すかどうかを確立すること。
• 実験的観察を第一原理的DFT計算と照合し、物質のトポロジカル性を検証すること。

提案手法

• ブリユアンゾーンのX点近傍の電子状態を直接可視化するための角度別光電子分光法（ARPES）による電子バンド構造の測定。
• フェルミ面の性質およびベリー位相を抽出するための量子振動測定（シュービニコフ＝ド・ハース効果）。
• 53 Tまでの高磁場磁気輸送測定により、磁気抵抗の挙動および角度依存性を調査。
• 電子構造をモデル化し、ディラックコーンの存在を確認するための密度汎関数理論（DFT）計算。
• 磁気抵抗の角度依存性の分析により、複数ポケットフェルミ面を示すバタフライ型パターンを特定。
• 実験的フェルミ面積を理論的予測と比較し、準粒子のディラック性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論予測通り、ZrSiSは表面およびバルクの両方のディラックバンドを有するか？
• RQ2 53 Tまでに観測された非飽和磁気抵抗の起源は何か？
• RQ3 観測された量子振動は、非自明なベリー位相を有するディラックフェルミオンと整合的か？
• RQ4 実験的フェルミ面パラメータはDFT計算とどのように一致するか？
• RQ5 対称性はZrSiSにおけるディラックノードの安定化にどのように寄与するか？

主な発見

• ARPES測定により、ブリュアンゾーンのX点近傍に二次元的電子状態が観測され、表面ディラック状態を示唆する。
• シュービニコフ＝ド・ハース振動により、非自明なベリー位相を有するバルクディラックコーンが確認され、トポロジカルディラックフェルミオンの特徴的性質を示す。
• フェルミ面積は1.80×10⁻³ Å⁻²と測定され、20 T未満で量子限界に達する。
• 非従来型磁気抵抗は53 Tまで飽和せず、バタフライ型の角度依存性を示す。
• DFT計算により、ZrSiSに表面およびバルクの両方のディラックバンドが存在することが支持され、物質がディラック材料として分類されることを確認した。
• 実験的および理論的結果の統合により、ZrSiSは三次元的なディラックフェルミオンを研究する強固なプラットフォームであることが確立された。