[論文レビュー] Observation of a topological 3D Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2

Madhab Neupane, Su‐Yang Xu+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

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）を用いて、化学 stoichiometric な Cd3As2 において三次元トポロジカルディラクスセミメタル相を実験的に同定した。この相は、非常に高いフェルミ速度（約1.5 × 10⁶ m/s）と、最大42,850 cm² V⁻¹ s⁻¹ の電子移動度を示すバルクディラクスコーンを有しており、C₄結晶対称性と強いスピン軌道結合によって保護されている。Cd3As2 は、三次元相対論的ディラクフェルミオン物理学を研究する高移動度プラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

Experimental identification of three-dimensional (3D) Dirac semimetals in solid state systems is critical for realizing exotic topological phenomena and quantum transport such as the Weyl phases, high temperature linear quantum magnetoresistance and topological magnetic phases. Using high resolution angle-resolved photoemission spectroscopy, we performed systematic electronic structure studies on well-known compound Cd3As2. For the first time, we observe a highly linear bulk Dirac cone located at the Brillouin zone center projected onto the (001) surface which is consistent with a 3D Dirac semimetal phase in Cd3As2. Remarkably, an unusually high Dirac Fermion velocity up to 10.2 extrmÅ{\cdot}$eV (1.5 imes 10^{6} ms^-1) is seen in samples where the mobility far exceeds 40,000 cm^2/V.s suggesting that Cd3As2 can be a promising candidate as a hypercone analog of graphene in many device-applications which can also incorporate topological quantum phenomena in a large gap setting. Our experimental identification of this novel topological 3D Dirac semimetal phase, distinct from a 3D topological insulator phase discovered previously, paves the way for exploring higher dimensional relativistic physics in bulk transport and for realizing novel Fermionic matter such as a Fermi arc nodal metal.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を有する化学 stoichiometric かつ非不安定な材料である Cd3As2 において、三次元トポロジカルディラクスセミメタル（BDS）相が実験的に確認されることを目的とする。
• 高分解能ARPESを用いて、Cd3As2 のバルクディラクスコーンの分散および速度を特定・特徴づけること。
• 一つの材料内で高電子移動度と質量ゼロのディラクフェルミオン行動が共存することを実証し、特異な量子輸送現象の探求を可能とすること。
• Cd3As2 における結晶対称性保護型BDS相を、従来の2次元ディラク系とビスマス系トポロジカル絶縁体と比較すること。
• 対称性の破れやドーピングによって、Weylセミメタルやトポロジカル絶縁体などの高次元トポロジカル相を実現するための、Cd3As2 の強固なプラットフォームとしての可能性を確立すること。

提案手法

• Cd3As2 の剥がれた（001）表面の電子バンド構造をマップするために、放射光施設（SRC, ALS, HiSOR）で高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• スピン分解ARPES測定をESPRESSOエンドステーションで実施し、VLEEDスピン検出器を用いてスピン構造を測定し、トポロジカル保護の確認を行った。
• 10–80 K の温度範囲でイン・スイットで試料を剥がし、超高真空（<1×10⁻¹⁰ torr）条件下で測定中に表面の安定性と劣化の最小化を確保した。
• 実験的結晶構造を用いて、VASPパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を、スピン軌道結合を含めて実施した。
• ブリユアンゾーンのサンプリングに4×4×2のMonkhorst-Pack kメッシュを用い、交換相関効果には一般化勾配近似（GGA）を採用した。
• キャリア密度および移動度は、輸送測定とARPESを併用して測定し、電子構造とマクロな輸送特性の相関を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学 stoichiometric で高移動度を示す材料、例えばCd3As2 において、ギャップレスの三次元トポロジカルディラクスセミメタル相が実験的に実現可能か？
• RQ2 Cd3As2 のバルクディラクスコーンの電子分散およびフェルミ速度は何か？ また、グラフェンや他の三次元ディラクス系と比較してどう異なるか？
• RQ3 Cd3As2 のディラクスセミメタル相は結晶対称性およびスピン軌道結合によって保護されており、トポロジカル絶縁体の表面状態とはどのように異なるか？
• RQ4 対称性の破れやドーピングによって、Cd3As2 のディラクスノードがギャップを開けたりWeylノードに分裂したりするか？ どのようなトポロジカル相が出現するか？
• RQ5 Cd3As2 における高移動度および線形分散は、2次元ディラクス系と比較して、新しい量子ホール効果に類似した現象をどのように可能にするか？

主な発見

• Cd3As2 において、ブリユアンゾーン中心に三次元ディラクスコーンを形成する高さの線形バルクバンドクロスが観測され、トポロジカルディラクスセミメタル相の存在が確認された。
• ディラクスコーンの面内フェルミ速度は最大1.5 × 10⁶ m/s に達し、非常に相対論的で質量ゼロのディラクフェルミオン行動を示している。
• 130 K における電子移動度は最大42,850 cm² V⁻¹ s⁻¹ に達し、化学 stoichiometric な系において高キャリア移動度が確認された。
• ディラクスセミメタル相は C₄ 結晶対称性と強いスピン軌道結合によって保護されており、2次元ディラクス系や弱いスピン軌道結合を有する三次元ディラクス材料とは明確に区別される。
• 観測されたディラクスコーンは20時間にわたる測定期間にわたり安定しており、表面品質が高く劣化が顕著でないことを示している。
• 理論的計算によりバルクディラクスコーンとそのトポロジカル保護が確認され、測定値と計算値のバンド分散に良好な一致が得られた。