[論文レビュー] Evidence of Dirac cones with 3D character probed by dHvA oscillations in nodal-line semimetal ZrSiS

Jin Hu, Zhijie Tang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 52被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、デ・ハース＝ヴァン・アルフェン（dHvA）量子揺らぎを用いて、ノードライン半金属ZrSiSにおける三次元（3D）フェルミ面の特性を初めて直接的に明らかにした。物質のラインノードディラックフェルミオンにもかかわらず、磁場の向きを問わず強いdHvA揺らぎが観測され、複数のディラックバンドと3Dフェルミ面トポロジーの確認がなされた。また、小さな二次元フェルミ面ポケットでは強いゼーマン分裂も観測された。

ABSTRACT

The topological quantum materials, including Dirac and Weyl semimetals, represent a new class of quantum materials with symmetry-protected band touching points. The essential properties of Dirac/Weyl fermions, including light effect mass, high mobility and non-trivial Berry phase, can be revealed by quantum oscillations. Here we present the first systematic de Haas–van Alphen (dHvA) oscillation studies on the recently discovered Dirac line-node semimetal ZrSiS a new type of topological phase of mater with Dirac crossings along a one dimensional line. In contrast with the recently-reported weak Shubnikov-de Haas oscillations which attenuate quickly when the field is rotated close to the ab-plane, the dHvA oscillations in ZrSiS were found to be strong under arbitrary field orientations, enabling us to explore not only the intrinsic properties of Dirac fermions but also the dimensionality of Fermi surface consisting of Dirac line node. Our experiments not only reveal evidence of Dirac fermions from multiple Dirac bands, but also show the Fermi surface enclosing the Dirac nodal line is of three-dimensional character for the first time. Furthermore, we observed surprisingly strong Zeeman splitting in the dHvA oscillations related to a small Fermi surface with a two-dimensional character. These results shed light on the nature of the line-node Dirac state of ZrSiS.

研究の動機と目的

• ノードライン半金属ZrSiSの電子状態およびフェルミ面トポロジーを、量子揺らぎ測定を用いて調査すること。
• ZrSiSにおけるディラックノードラインに関連するフェルミ面の次元性を特定すること。
• 高磁場量子揺らぎ実験を用いて、ZrSiSにおけるディラックフェルミオンの性質を解明すること。
• 磁場の向きを変化させた際の弱いシュービニコフ＝デ・ハース揺らぎと強いdHvA応答の不一致を解消すること。

提案手法

• 高磁場下で単結晶ZrSiSに対して体系的なデ・ハース＝ヴァン・アルフェン（dHvA）揺らぎ測定を実施した。
• 結晶のab面に対して磁場の向きを変化させ、フェルミ面の異方的性質を調べた。
• dHvA揺らぎ周波数と位相を解析し、フェルミ面断面積およびバリー位相を抽出した。
• dHvA揺らぎにおけるゼーマン分裂を同定し、小さなフェルミ面ポケットにおけるスピン分裂および有効g因子を推定した。
• 揺らぎ振幅の角度依存性を用いて、2次元と3次元フェルミ面の性質を区別した。
• 観測された揺らぎ行動を、ディラックノードライン系における理論的予測と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrSiSにおけるディラックノードラインに関連するフェルミ面の次元性は何か？
• RQ2 ZrSiSにおけるdHvA揺らぎは磁場の向きにどのように依存するか。これによりフェルミ面トポロジーに何が明らかになるか？
• RQ3 量子揺らぎ測定によって、ZrSiSに複数のディラックバンドが存在する証拠は何か？
• RQ4 磁場をab面に近づけてもdHvA揺らぎが強く残る理由は何か。これは、当初報告された弱いシュービニコフ＝デ・ハース揺らぎとは矛盾する。
• RQ5 小さなフェルミ面ポケットにおけるdHvA揺らぎで観測された予想外に強いゼーマン分裂の原因は何か？

主な発見

• ZrSiSにおけるdHvA揺らぎは、磁場の向きを問わず強く残り、量子コherencyの強さを示し、フェルミ面の完全な特徴付けを可能にした。
• ディラックノードラインを囲むフェルミ面は三次元的性質を示し、ノードライン半金属における3次元トポロジーの最初の直接的証拠を提供した。
• 複数のディラックバンドが量子揺らぎに寄与しており、ZrSiSに1つ以上のディラックフェルミオン状態が存在することを確認した。
• 小さな二次元フェルミ面ポケットに関連するdHvA揺らぎでは、驚くべきほど強いゼーマン分裂が観測された。
• ゼーマン分裂は顕著な有効g因子を示しており、小さなフェルミ面ポケットにおける強いスピン軌道結合または特異な電子状態を示唆している。
• 磁場を回転させてもdHvA信号が強く残ることから、当初の弱いシュービニコフ＝デ・ハースデータとの不一致が解消され、この系ではdHvA測定が優れた信号対雑音比を示すことが示された。