[論文レビュー] Observation of surface states derived from topological Fermi arcs in the Weyl semimetal NbP

Ilya Belopolski, Su‐Yang Xu+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 18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）とab initio計算を用いて、弱いスピン軌道結合と低いフェルミ準位のためフェルミアークが解像されていないにもかかわらず、NbPがワイル系半金属であることを示している。著者らは、屈曲した分散と結合エネルギーに伴う方向性分散に基づく、フェルミアークを特定するための新しい基準を提唱しており、フェルミ準位を20 meV以上上昇させることで、NbPおよび類縁材料におけるトポロジカルな表面状態の直接観測が可能になると予測している。

ABSTRACT

The recent experimental discovery of a Weyl semimetal in TaAs provides the first observation of a Weyl fermion in nature and demonstrates a novel type of anomalous surface state band structure, consisting of Fermi arcs. So far, work has focused on Weyl semimetals with strong spin-orbit coupling (SOC). However, Weyl semimetals with weak SOC may allow tunable spin-splitting for device applications and may exhibit a crossover to a spinless topological phase, such as a Dirac line semimetal in the case of spinless TaAs. NbP, isostructural to TaAs, may realize the first Weyl semimetal in the limit of weak SOC. Here we study the surface states of NbP by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and we find that we $ extit{cannot}$ show Fermi arcs based on our experimental data alone. We present an $ extit{ab initio}$ calculation of the surface states of NbP and we find that the Weyl points are too close and the Fermi level is too low to show Fermi arcs either by (1) directly measuring an arc or (2) counting chiralities of edge modes on a closed path. Nonetheless, the excellent agreement between our experimental data and numerical calculations suggests that NbP is a Weyl semimetal, consistent with TaAs, and that we observe trivial surface states which evolve continuously from the topological Fermi arcs above the Fermi level. Based on these results, we propose a slightly different criterion for a Fermi arc which, unlike (1) and (2) above, does not require us to resolve Weyl points or the spin splitting of surface states. We propose that raising the Fermi level by $> 20$ meV would make it possible to observe a Fermi arc using this criterion in NbP. Our work offers insight into Weyl semimetals with weak spin-orbit coupling, as well as the crossover from the spinful topological Weyl semimetal to the spinless topological Dirac line semimetal.

研究の動機と目的

• 弱いスピン軌道結合を有するワイル系半金属NbPの表面状態を、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて調査すること。
• 低いフェルミ準位と小さなWeyl点間隔という課題がある中で、NbPにおいてトポロジカルなフェルミアークが実験的に観測可能かどうかを明らかにすること。
• Weyl点やスピン分離を解像する必要のない、フェルミアークを同定するための新しい実験的基準を確立すること。
• NbPにおいて、トレivialな表面状態がフェルミ準位より上での結合エネルギーに伴いどのようにトポロジカルなフェルミアークへと変化するかを調査すること。
• NbPの表面状態構造をTaAsと比較し、スピン軌道結合の強さとWeyl点間隔の違いがフェルミアークの可視性に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• SSRLおよびSISビームラインで、NbPの(001)表面に対して高分解能ARPES測定を実施し、表面状態の分散をマップすること。
• ab initio計算を用いてNbPの表面状態を計算し、実験的ARPESデータと比較することで、系のトポロジカル性を検証すること。
• 特にラollipopおよびピーナッツ型の表面状態ポケットの分散を分析し、混合や軌道性の違いを評価すること。
• 約0.2 eVの結合エネルギーにおける分散の屈曲と方向性分散の傾向を、フェルミアークを同定するための新しい基準として用いること。
• 閉じていないフェルミ準位の断面が結合エネルギーの増加に伴い1方向に分散するという、非閉じたフェルミ準位の断面に基づく修正されたトポロジカル基準を適用すること。
• NbPとTaAsの表面状態バンド構造を比較し、スピン軌道結合とWeyl点間隔の違いがフェルミアークの可視性に与える影響を明らかにすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱いスピン軌道結合と低いフェルミ準位があるにもかかわらず、NbPにおいてトポロジカルなフェルミアークが実験的に観測可能か？
• RQ2 NbPにおけるトレivialな表面状態とトポロジカルなフェルミアークの関係は何か？ そして、結合エネルギーに伴いどのように変化するか？
• RQ3 Weyl点やスピン分離を解像する必要のない、フェルミアークを同定するための新しい実験的基準を確立可能か？
• RQ4 NbPの表面状態構造はTaAsとどのように異なり、スピン軌道結合はその差異にどのように寄与するか？
• RQ5 NbPにおいてトポロジカルなフェルミアークを可視化するために必要な条件は何か？ また、フェルミ準位の調整はその可視性にどのように影響するか？

主な発見

• NbPにおけるARPES測定では、フェルミ準位が低く、Weyl点間隔が小さいため、フェルミアークの直接的証拠は得られなかった。
• ab initio計算により、NbPで観測された表面状態がワイル系半金属相と整合することが確認され、トレivialな表面状態がフェルミ準位より上での結合エネルギーに伴い連続的にトポロジカルなフェルミアークへと変化することが示された。
• フェルミアークを同定するための新しい基準が提唱された：結合エネルギーの増加に伴い1方向に分散する屈曲した分散であり、Weyl点の解像やスピン分離の解像を必要としない。
• フェルミ準位を20 meV以上上昇させることで、この新しい基準を用いてNbPにおけるフェルミアークの観測が可能になると予測された。
• NbPのラollipopおよびピーナッツ型表面ポケットは、異なる軌道性（面内および面外のdおよびp軌道）のため、混合しないことが判明し、これは(001)面のC₂対称性に関連している。
• NbPに見られる豊富な表面状態構造は、真空紫外線ARPESにおいてバルクバンド構造が見えない理由を説明できる可能性があり、表面の利用可能な軌道が表面状態によって完全に占有されているためである。