[論文レビュー] Observation of a bulk 3D Dirac multiplet, Lifshitz transition, and nestled spin states in Na3Bi

Su‐Yang Xu, Chang Liu+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、ナトリウムヒ hydride (Na3Bi) におけるバルク3次元ディラック多重項の初の実験的観測を報告し、運動量空間におけるリーフシッツ転移とネストされたスピン極化表面状態を明らかにした。非自然な(100)面での切断表面を用いた高分解能スピンおよび角度分解光電子分光法により、Γ点の周囲に左右対称に配置された2つのバルクディラックノードを同定した。フェルミ準位の位相的転移の証拠と、それらの間に位置するヘリカルスピン極化表面状態の存在が確認され、相関のあるディラック物理学およびトポロジカル量子現象を研究する新たな道筋が開かれた。

ABSTRACT

Symmetry or topology protected Dirac fermion states in two and three dimensions constitute novel quantum systems that exhibit exotic physical phenomena. However, none of the studied spin-orbit materials are suitable for realizing bulk multiplet Dirac states for the exploration of interacting Dirac physics. Here we present experimental evidence, for the first time, that the compound Na3Bi hosts a bulk spin-orbit Dirac multiplet and their interaction or overlap leads to a Lifshitz transition in momentum space - a condition for realizing interactions involving Dirac states. By carefully preparing the samples at a non-natural-cleavage (100) crystalline surface, we uncover many novel electronic and spin properties in Na3Bi by utilizing high resolution angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy measurements. We observe two bulk 3D Dirac nodes that locate on the opposite sides of the bulk zone center point $Γ$, which exhibit a Fermi surface Lifshitz transition and a saddle point singularity. Furthermore, our data shows evidence for the possible existence of theoretically predicted weak 2D nontrivial spin-orbit surface state with helical spin polarization that are nestled between the two bulk Dirac cones, consistent with the theoretically calculated (100) surface-arc-modes. Our main experimental observation of a rich multiplet of Dirac structure and the Lifshitz transition opens the door for inducing electronic instabilities and correlated physical phenomena in Na3Bi, and paves the way for the engineering of novel topological states using Na3Bi predicted in recent theory.

研究の動機と目的

• Na3Biに予測された対称性保護型ディラックノードを有するバルク3次元ディラックフェルミオン状態の同定と特性評価。
• 自然でない(100)面切断表面における表面状態の電子的およびスピンテクスチャの調査。この表面は(001)面では見えないバルクディラックノードにアクセス可能である。
• バルクディラック多重項の重なりまたは相互作用によって引き起こされるフェルミ準位の位相的トポロジーキャンジの存在を調べること。
• 理論で予測された弱いスピン軌道結合を示す非自明な2次元表面状態が、ヘリカルスピン極化を示すかどうかを調査すること。
• ドーピングや外部パラメータの調整により、相互作用のあるディラック物理学、トポロジカル超伝導、ウェイル系半金属相を探索するためのプラットフォームとしてNa3Biを確立すること。

提案手法

• 高分解能スピンおよび角度分解光電子分光法（ARPES）を、スウェーデンのMAX-labのI4ビームラインおよび日本・HiSORのBL9Bビームラインで実施。ヘリウムKα線（21.21 eV）を用い、最新鋭のVLEEDスピン検出器を搭載した。
• 酸素および水蒸気濃度が1 ppm未塔のアルゴン充填グローブボックスを用いて、(100)面でのインスイットサンプル切断を実現。サンプルの完全性を保証した。
• スピンの3成分を同時に測定可能であり、エネルギー分解能が80 meV未塔、運動量分解能が表面BZの3%未塔の高精度スピン分解ARPESを実現。
• VASPパッケージを用いた第一原理計算を、14×1×1および1×1×7超格子を用いて(100)および(001)表面終末をモデル化。スピン軌道結合を含むGGA計算を実施。
• 実験的フェルミ準位面マップと表面ブリユアンゾーンの形状を用いて、切断面を特定。長方形の表面BZに2つのディラックノードが存在することから、(100)面であると確認。
• 熱的ブライトネスを低減し、8時間にわたって充電効果が認められない安定な状態を維持するため、10–20 Kで測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Na3Biは、運動量空間におけるΓ点の両側に左右対称に配置された2つのノードを持つバルク3次元ディラック多重項を有するか？
• RQ2 バルクディラックノードの相互作用または重なりによって引き起こされるフェルミ準位面トポロジの変化として、リーフシッツ転移の証拠があるか？
• RQ3 理論で予測されたように、2つのバルクディラックコーンの間にヘリカルスピン極化を示す非自明な2次元表面状態が存在するか？
• RQ4 表面状態のスピンテクスチャが、実験的に解像可能であり、バルクディラック構造と相関しているか？
• RQ5 (100)面終端が、バルクディラック多重項にアクセスし、トポロジカル転移の観測を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• (100)面切断表面におけるNa3Biは、運動量空間のΓ点の両側に左右対称に配置された2つのバルク3次元ディラックノードを明らかにし、バルクディラック多重項の存在を確認した。
• フェルミ準位面トポロジにリーフシッツ転移が観測された。鞍点特異性が特徴で、フェルミ準位面のシートが合体または分離することによる位相的変化を示している。
• スピン分解ARPES測定により、2つのバルクディラックコーンの間に位置するヘリカルスピン極化表面状態の存在が裏付けられ、理論で予測された(100)面アーチモードと整合的である。
• 表面状態は非自明なスピンテクスチャを示し、電子が等エネルギー等高線の周囲を巻き込むように運動しており、トポロジカルに保護された性質を示している。
• 実験的フェルミ準位面マップにより、(100)面終端が確認された。長方形の表面ブリユアンゾーンに2つのディラックノードが存在するが、(001)面では1つのみが観測されるのとは対照的である。
• 充電効果は観測されず、超高真空下で8時間にわたってサンプルが安定していたことから、インスイット切断表面の高品質と完全性が裏付けられた。