[論文レビュー] Identification of Topological Surface State in PdTe2 Superconductor by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Yan Liu, Jianzhou Zhao+17 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）および第一原理計算を用いて、超伝導体PdTe2にトポロジカルに非自明な表面状態とそのディラック円錐が存在することを同定した。ディラック点はフェルミ準位よりはるかに下にある約1.75 eVの状態エネルギーに位置し、従来のトポロジカル絶縁体とは異なり、ヘリカルスピン構造を示す。この発見により、PdTe2はトポロジカル超伝導および特異な量子現象を研究するための新たなプラットフォームであることが確立された。

ABSTRACT

High resolution angle-resolved photoemission measurements have been carried out on transition metal dichalcogenide PdTe2 that is a superconductor with a Tc at 1.7 K. Combined with theoretical calculations, we have discovered for the first time the existence of topologically nontrivial surface state with Dirac cone in PbTe2 superconductor. It is located at the Brillouin zone center and possesses helical spin texture. Distinct from the usual three-dimensional topological insulators where the Dirac cone of the surface state lies at the Fermi level, the Dirac point of the surface state in PdTe2 lies deep below the Fermi level at ~1.75 eV binding energy and is well separated from the bulk states. The identification of topological surface state in PdTe2 superconductor deep below the Fermi level provides a unique system to explore for new phenomena and properties and opens a door for finding new topological materials in transition metal chalcogenides.

研究の動機と目的

• 遷移金属ジカルコイドという、豊富な電子的性質を示すが、既知のトポロジカル性質が限られている材料群に、トポロジカル表面状態が存在するかを同定すること。
• 低臨界温度（Tc）と強いスピン軌道結合を示す超伝導体PdTe2が、トポロジカルに保護された表面状態を有するかどうかを明らかにすること。
• 高分解能ARPESと理論的モデリングを用いて、表面状態の電子構造とスピン構造を特徴づけること。
• PdTe2が、メイジョラナフェルミオンやその他の特異な量子現象を実現するためのトポロジカル超伝導体のプラットフォームとして有効であるかを検討すること。
• 遷移金属カルコイド系材料において、トポロジカル材料を発見するための新たな道筋を提示すること。

提案手法

• 20 Kで、割れたPdTe2単結晶を用いて、ヘリウムI（21.218 eV）、ヘリウムIα（23.087 eV）、ヘリウムII（40.8 eV）を光源とする高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施。エネルギー分解能は10 meV、角度分解能は約0.3°を達成した。
• 併置された金参照標本のフェルミ端を利用し、フェルミ準位を補正した。
• スピン軌道結合を自己無撞着に含めたフルポテンシャル線形化された平面波（LAPW）法を用いて、WIEN2Kパッケージを用いた第一原理計算を実施した。
• 一般化勾配近似（GGA）のバンド構造を正確に再現できるように、Wannier関数に基づくタイトビンディングモデルを構築した。
• トポロジカル不変量とスピン構造を計算し、表面状態の非自明なトポロジーを確認した。
• 光子エネルギー依存のARPES測定を用いて、運動量およびエネルギー応答の違いにより、表面状態とバルク状態を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tc ~1.7 Kの超伝導体PdTe2は、トポロジカルに非自明な表面状態を有するか？
• RQ2 表面状態のディラック点はフェルミ準位に対してどこに位置し、バルクバンドからどのように分離されているか？
• RQ3 表面状態のスピン構造はどのようなものか？トポロジカル絶縁体に予想されるヘリカル特性を示すか？
• RQ4 そのエネルギー位置のおかげで、表面状態は実験的にバルク状態と区別可能か？
• RQ5 フェルミ準位の深く下にあるトポロジカル表面状態が、超伝導体において特異な量子現象を引き起こす可能性は何か？

主な発見

• PdTe2のブリユアンゾーン中心に、実験的にトポロジカル表面状態とそのディラック円錐が同定された。ディラック点は約1.75 eVの状態エネルギーに位置している。
• 表面状態はバルク状態から明確に分離されており、異なる光子エネルギーでも安定しており、表面起源であることが確認された。
• 表面状態のスピン構造は、上側のディラック円錐分岐では右ねじ型のキラリシティ、下側では左ねじ型のキラリシティを示し、トポロジカル性が裏付けられた。
• 理論的計算はARPESデータと非常に良好に一致し、トポロジカル表面状態の存在が裏付けられた。
• ディラック円錐はフェルミ準位の非常に下に位置しており、通常のトポロジカル絶縁体とは対照的である（通常はフェルミ準位付近）。
• 本発見により、PdTe2は、メイジョラナフェルミオンやその他の特異な量子現象を探索するための新たなトポロジカル超伝導体プラットフォームとして確立された。