[論文レビュー] Glide-resolved photoemission spectroscopy: Measuring topological invariants in nonsymmorphic space groups

A. Alexandradinata, Zhijun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 115被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非対称結晶におけるZ4トポロジカル不変量を測定するために、グライド分解能を有する光電子分光法を導入し、スピンおよび角度分解光電子分光法を用いてブロッホ状態のグライド固有値を特定する。これは、Z4⊕Zクラスのトポロジカル絶縁体および金属を区別する決定的実験的証拠を確立し、Ba2Pb、圧縮されたNa3Bi、およびKHgSbについて第一原理予測を提示する。

ABSTRACT

The two classes of 3D, time-reversal-invariant insulators are known to subdivide into four classes in the presence of glide symmetry. Here, we extend this classification of insulators to include glide-symmetric Weyl metals, and find a finer $Z_4\oplus Z$ classification. We further elucidate the smoking-gun experimental signature of each class in the photoemission spectroscopy of surface states. Measuring the $Z_4$ topological invariant by photoemission relies on identifying the glide representation of the initial Bloch state before photo-excitation - we show how this is accomplished with relativistic selection rules, combined with standard spectroscopic techniques to resolve both momentum and spin. Our method relies on a novel spin-momentum locking that is characteristic of all glide-symmetric solids (inclusive of insulators and metals in trivial and topological categories). As an orthogonal application, given a glide-symmetric solid with an ideally symmetric surface, we may utilize this spin-momentum locking to generate a source of FULLY spin-polarized photoelectrons, which have diverse applications in solid-state spectroscopy. Our ab-initio calculations predict Ba$_2$Pb, stressed Na$_3$Bi, and KHgSb to realize all three, nontrivial insulating phases in the $Z_4$ classification.

研究の動機と目的

• 3次元時間反転対称性を保つトポロジカル絶縁体の分類を、グライド対称性を持つワイル金属を含めるように拡張し、Z4⊕Z分類を明らかにすること。
• 光電子分光法を用いて、表面状態における各Z4⊕Zクラスの実験的に区別可能なシグナルを同定すること。
• 光励起前の初期ブロッホ状態のグライド固有値を測定することで、Z4トポロジカル不変量を測定する手法を開発すること。
• グライド対称性を持つ結晶が、完全にスピン極化された光電子を生成する新たなスピン-運動量ロックを実現することを示すこと。

提案手法

• スピンおよび角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、光電子の運動量とスピンを両方分解する。
• 相対論的電気双極子選択則を適用し、光電子のスピンと発射方向から初期ブロッホ状態のグライド固有値（∆±）を推定する。
• グライド対称性系に特徴的なスピン-運動量ロックを活用し、初期状態の対称性性質をマッピングする。
• 理論的モデリングと第一原理計算を組み合わせ、候補物質におけるグライド固有値および表面状態分散を予測する。
• 逆LEED状態形式を用いて、光電子放出を明確な運動量とスピンを持つ平面波の重ね合わせとして記述する。
• 有限系の対称性性質を近似するために、半無限固体における対称性のユニタリ部分群Aに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グライド対称性を持つトポロジカル絶縁体および金属において、Z4トポロジカル不変量をどのように実験的に測定できるか？
• RQ2 トポロジカル固体のZ4⊕Z分類における各クラスの決定的実験的証拠は何か？
• RQ3 スピン軌道結合系における光電子分光データから、ブロッホ状態のグライド固有値をどのように特定できるか？
• RQ4 グライド対称性を持つ結晶を用いて、スピン-運動量ロックにより完全にスピン極化された光電子を生成できるか？
• RQ5 どの現実の物質がZ4分類における異なる非自明な状態を実現するか？

主な発見

• Ba2Pb、一軸応力が加わったNa3Bi、およびKHgSbは、それぞれ (χ+∈Z4, C∈Z) = (3, 0)、(1, 0)、(2, 0) の異なる非自明な絶縁体相を実現すると予測される。
• 初期ブロッホ状態のグライド固有値を特定することで、スピンおよび角度分解光電子分光法を用いてZ4トポロジカル不変量を測定可能である。
• グライド対称性を持つ結晶に新たなスピン-運動量ロックが存在し、完全にスピン極化された光電子の生成を可能にし、分光法に有用である。
• 本手法により、Z2不変量が同一だがZ4分類が異なる絶縁体（例：Ba2PbとギャップのあるNa3Bi）を区別できる。
• 2つの右巻きモード（ヘリシティ+）を持つディラックフェルミオンの表面バンド分散は時計型の形状を示し、Z4不変量の直接的な実験的証拠を提供する。
• グライド不変な表面状態からの光電子放出は、発射方向に相関したスピン極化を持つ光電子の扇形を生成し、初期状態の対称性を直接測定可能である。