[論文レビュー] Observation of multiple Dirac states in a magnetic topological material EuMg2Bi2

Firoza Kabir, M. Mofazzel Hosen+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）および第一原理計算を用いて、内在的磁性トポロジカル材料EuMg2Bi2に複数のディラック状態が存在することを特定した。ブリユアンゾーンのΓ点およびK点に、それぞれ375 meVおよび340 meVのフェルミ準位より下に位置する2つの異なるディラック・コーンが観測され、磁性ドーピングに起因する不均一性が生じないストイキオメトリック系において、非自明なトポロジーと磁性の相乗作用を調査する基盤が確立された。

ABSTRACT

Initiated by the discovery of topological insulators, topologically non-trivial materials, more specifically topological semimetals and metals have emerged as new frontiers in the field of quantum materials. In this work, we perform a systematic measurement of EuMg2Bi2, a compound with antiferromagnetic transition temperature at 6.7 K, observed via electrical resistivity, magnetization and specific heat capacity measurements. By utilizing angle-resolved photoemission spectroscopy in concurrence with first-principles calculations, we observe Dirac cones at the corner and the zone center of the Brillouin zone. From our experimental data, multiple Dirac states at G and K points are observed, where the Dirac nodes are located at different energy positions from the Fermi level. Our experimental investigations of detailed electronic structure as well as transport measurements of EuMg2Bi2 suggest that it could potentially provide a platform to study the interplay between topology and magnetism.

研究の動機と目的

• 6.7 Kで反強磁性秩序を示す内在的磁性トポロジカル材料EuMg2Bi2の電子構造を調査すること。
• ストイキオメトリックな化合物として非自明なトポロジーと磁性を共に有する可能性があるにもかかわらず、この系に複数のディラック状態が存在するかを特定すること。
• 磁性ドーピングに起因する不純物がしばしば見られるドーピングされたトポロジカル材料とは異なり、磁性不純物のない系において、トポロジーと磁性の相乗作用を調査すること。
• 量子異常ホール効果やアキソン絶縁体状態といったトポロジカル量子現象を研究する基盤として、EuMg2Bi2を強固なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）は、ALSビームライン10.0.1を用い、エネルギー分解能<20 meV、角度分解能<0.2°のScienta R4000半球状電子分析計を用いて実施した。
• 15 Kで超高真空（5×10⁻¹¹ Torr）下でのイン・スイート試料切断により、表面の安定性が確保され、20時間にわたる高品質な測定が可能となった。
• 第一原理電子構造計算は、VASPを用い、PBE関数、スピン軌道相互作用、および局在的Eu 4f電子に対する有効U=11.0 eVを用いて行った。
• X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピーにより、単結晶の結晶構造と化学成分が確認された。
• 電気的抵抗率、比熱、磁化率を測定するため、最大9 Tの磁場を用いたQuantum Design PPMSシステムを用いて、輸送および熱力学的測定が実施された。
• DFT計算には、9×9×3のMonkhorst-Pack kポイントメッシュと520 eVの運動エネルギーのカットオフを用い、収束性と精度を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内在的磁性トポロジカル材料EuMg2Bi2に複数のディラック状態が存在するか。その場合、運動量空間における位置はどこか？
• RQ2 ディラックノードのフェルミ準位からのエネルギー位置は何か。また、Γ点やK点といった高対称点間でどのように異なるか？
• RQ3 6.7 Kで観測される反強磁性秩序が、電子構造およびディラック状態のトポロジカル性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 フェルミ準位に近いディラックフェルミオンは、化学ドーピングや電気的ゲーティングによって調整可能か？
• RQ5 フェルミ準位から約4.5 eV下に位置するf電子バンド構造は、系のトポロジカル性にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 高分解能ARPES測定により、EuMg2Bi2の表面ブリユアンゾーンにおけるΓ点およびK点に、実験的に複数のディラック状態が観測された。
• Γ点におけるディラックノードはフェルミ準位から375 meV下に位置し、K点におけるノードはフェルミ準位から340 meV下に位置しており、エネルギー分散が明確に異なることが示された。
• K点におけるディラック分散はフェルミ準位付近の他のバンドから明確に分離されており、ハイブリダイゼーションが最小限に抑えられ、高いトポロジカル忠実性が示唆された。
• 比熱および磁化率測定における異常から、6.7 Kで明確な反強磁性転移が確認された。
• 第一原理計算はARPESの観測結果を支持しており、スピン軌道相互作用およびEu 4f電子に対するU=11.0 eVを用いた計算でも、Γ点およびK点に一貫したディラック的分散が得られた。
• UHV条件下での高品質な結晶安定性により、長時間にわたる測定で再現性のあるARPESデータが得られ、観測されたディラック状態の信頼性が裏付けられた。