[論文レビュー] Observation of topological nodal-loop state in RAs3 (R = Ca, Sr)

M. Mofazzel Hosen, Baokai Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算と高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を組み合わせることで、SrAs₃におけるトポロジカルなノードループ状態およびドアハット表面状態の初めての実験的観測を報告している。ノードループはブリユアンゾーンのY点を中心に位置し、表面状態はΓ点まわりでドアハット型の分散を示す。一方、CaAs₃は同様の条件下でもトポロジカルに自明であり、RAs₃がトポロジカルな量子相を研究するための最小で対称性保護型のプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

Topological nodal-line semimetals (NLSs) are unique materials, which harbor one-dimensional line nodes along with the so-called drumhead surface states arising from nearly dispersionless two dimensional surface bands. However, a direct observation of these drumhead surface states in the currently realized NLSs has remained elusive. Here, by using high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) along with parallel first principles calculations, we examine the topological characteristics of SrAs3 and CaAs3. SrAs3 is found to show the presence of a topological nodal-loop, while CaAs3 is found to lie near a topologically trivial phase. Our analysis reveals that the surface projections of the bulk nodal-points in SrAs3 are connected by drumhead surface states. Notably, the topological states in SrAs3 and CaAs3 are well separated from other irrelevant bands in the vicinity of the Fermi level. These compounds thus provide a hydrogen-like simple platform for developing an in-depth understanding of the quantum phase transitions of NLSs.

研究の動機と目的

• R = Ca, SrのRAs₃におけるトポロジカルなノードループ状態を、実験的および理論的手段を用いて同定および特徴づけること。
• CaAs₃およびSrAs₃がドアハット状態を含めたトポロジカル表面状態を有するかどうか、およびそれらのトポロジカル特性にどのような相違があるかを特定すること。
• 結晶対称性およびスピン軌道結合がノードループ状態の安定化または閉じる役割を果たすメカニズムを調査すること。
• RAs₃がノードライン半金属とトポロジカル絶縁体の間のトポロジカル相転移を研究するための最小でクリアなプラットフォームとして確立されること。
• 最小の対称性保護とフェルミ準位近くに孤立したトポロジカル状態を持つ水素様の原型系を提供すること。

提案手法

• SrAs₃およびCaAs₃の表面における電子バンド構造をマップするために、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理計算を実施し、バルクバンド構造をモデル化し、トポロジカル特徴を予測した。
• スピン軌道結合（SOC）を含む・含まない両方の計算を実施し、ノードループの安定性および表面状態形成に与える影響を評価した。
• 光子エネルギー依存のARPES測定を用いて、運動量分解された分散マップを抽出し、表面状態の接続性を確認した。
• バルクノード点の表面投影を分析することで、運動量空間におけるノード点を接続するドアハット状態の存在を検証した。
• 輸送測定および抵抗率データを用いて、電子構造の結果を裏付けた。特に、CaAs₃における大きな抵抗率はギャップを持つトポロジカルに自明な状態と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrAs₃は時間反転対称性および空間反転対称性によって保護されたトポロジカルなノードループ状態を有するか？
• RQ2 SrAs₃にドアハット表面状態が観測され、それらが運動量空間におけるバルクノード点の投影を接続するか？
• RQ3 スピン軌道結合がCaAs₃のトポロジカル性に与える影響は何か？また、トポロジカル相転移を引き起こすか？
• RQ4 RAs₃におけるトポロジカル状態がフェルミ準位近くの他の金属的バンドからどのように分離されており、クリアな観測を可能としているか？
• RQ5 RAs₃はトポロジカルな量子相転移を研究するための最小で対称性保護型のプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• SrAs₃において、ブリユアンゾーンのY点を中心に位置するトポロジカルなノードループ状態が実験的に観測された。その投影されたループサイズは、k_y方向に約0.30 Å⁻¹であった。
• SrAs₃において、ドアハット型の分散を示す表面状態が直接観測された。これは、この幾何配置における初の観測である。
• スピン軌道結合を含めた計算において、CaAs₃はほぼ平坦な表面状態を示すが、フェルミ準位近くに明確なギャップがあるため、トポロジカルに自明な状態のままである。
• SrAs₃のノードループは時間反転対称性および空間反転対称性によって保護されており、最小限の結晶対称性要件で成立するため、最小のトポロジカル系として成立する。
• ARPESデータから、SrAs₃およびCaAs₃の両方におけるトポロジカル状態がフェルミ準位近くの他のバンドから明確に分離されており、トポロジカル特徴の明確な同定が可能であることが示された。
• 輸送測定により、CaAs₃における2 Kでの大きな抵抗率260 Ω·cmが確認され、ギャップを持つトポロジカルに自明な状態と整合的であった。