[論文レビュー] Magneto-infrared spectroscopy of Landau levels and Zeeman splitting of three-dimensional massless Dirac Fermions in ZrTe$_5$

R. Y. Chen, Zhiguo Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、磁気赤外分光法を用いて3次元ディラク半金属ZrTe₅におけるランダウ準位およびゼーマン分裂を調査した。ZrTe₅は非常に低い磁場（約1 T）でランダウ準位遷移およびスピン分裂を示すことが明らかになった。これはゼーマン分裂の直接的で明確な分光的証拠を提供し、系がラインノード半金属に発展していることを確認するものであり、3次元ディラクフェルミオンおよびトポロジカル相転移を研究するにふさわしいプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

We present a magneto-infrared spectroscopy study on a newly identified three-dimensional (3D) Dirac semimetal ZrTe$_5$. We observe clear transitions between Landau levels and their further splitting under magnetic field. Both the sequence of transitions and their field dependence follow quantitatively the relation expected for 3D \emph{massless} Dirac fermions. The measurement also reveals an exceptionally low magnetic field needed to drive the compound into its quantum limit, demonstrating that ZrTe$_5$ is an extremely clean system and ideal platform for studying 3D Dirac fermions. The splitting of the Landau levels provides a direct and bulk spectroscopic evidence that a relatively weak magnetic field can produce a sizeable Zeeman effect on the 3D Dirac fermions, which lifts the spin degeneracy of Landau levels. Our analysis indicates that the compound evolves from a Dirac semimetal into a topological line-node semimetal under current magnetic field configuration.

研究の動機と目的

• 磁場下におけるZrTe₅の電子状態を磁気赤外分光法を用いて探査すること。
• 3次元ディラク半金属におけるランダウ準位の量子化およびスピン縮退の解消の兆候を特定すること。
• 量子限界に達するための磁場強度を特定し、キャリア密度および系のクリーニング度を評価すること。
• 磁場下におけるディラク半金属からラインノード半金属またはウェイル半金属へのトポロジカル相転移を調査すること。
• 3次元無質量ディラクフェルミオンにおけるゼーマン分裂の直接的でバルク分光的証拠を提供すること。

提案手法

• 12 Tまでのさまざまな磁場下で、単結晶ZrTe₅を用いて磁気赤外反射分光法を実施した。
• 磁場誘起ピークがランダウ準位間遷移に対応することを特定するため、再正規化された反射率 R(B)/R(0) を分析した。
• ゼーマン分裂を伴う3次元無質量ディラクフェルミオンのランダウ準位エネルギー準位の理論的モデルを用いて、ピーク位置および分裂の解釈を行った。
• ランダウ準位分裂エネルギーの磁場依存性をフィッティングし、有効g因子を抽出するとともに、スピン縮退の解消を評価した。
• 同一または相反するヘリシティを有するランダウ準位間の光学遷移に適用可能な選択則を用いて、ピークの識別を実施した。
• 観測されたピークの順序および磁場依存性を、3次元ディラクフェルミオンおよびラインノード半金属の理論予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrTe₅におけるランダウ準位遷移は、3次元無質量ディラクフェルミオンに一致する量子化されたエネルギー間隔を示すか？
• RQ2 ZrTe₅が量子限界に達するのはどの磁場強度か？ これはキャリア密度および系の純度にどのような意味を持つのか？
• RQ3 最低エネルギーピークの四重分裂は、ゼーマン分裂およびスピン縮退の解消を直接示唆するか？
• RQ4 観測されたゼーマン分裂は、ディラク半金属からラインノード半金属またはウェイル半金属へのトポロジカル相転移を示唆するか？
• RQ5 ゼーマン分裂から抽出された有効g因子は何か？ また、理論的予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• 1 Tで観測された反射率の最初のピークは、n=0とn=1のランダウ準位間の遷移に対応しており、フェルミエネルギーがディラク点に非常に近いことを示している。
• 系は約1 Tで量子限界に達しており、残留キャリア密度が極めて低く、サンプル純度が極めて高いことを示している。
• 最低エネルギーのピークは磁場下で四つの明確な成分に分裂し、ゼーマン分裂およびスピン縮退の解消の直接的証拠が得られた。
• 2つの強いピーク間のエネルギー分裂（E₄ - E₂）は磁場に比例して増加し、約10.5 cm⁻¹/T（約1.3 meV/T）の割合で増加しており、ゼーマン結合と整合的である。
• 弱いピーク間の分裂（E₃ - E₁）は約7.4 cm⁻¹/T（約0.92 meV/T）の割合で増加し、それぞれのg因子の推定値は22.5および15.8となった。
• 理論的解析の結果、現在の磁場配置下ではウェイル半金属相よりもラインノード半金属相が好ましいとされた。