[論文レビュー] Observation of Weyl point pair annihilation in a gyromagnetic photonic crystal

Gui-Geng Liu, Zhen Gao+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、外部磁場を調整することで、マイクロ波スケールの磁気的特性を持つ光誘導体結晶において、Weyl点対の消失を実験的に示した。これにより、Weyl半金属相から3次元チャーン絶縁体への遷移が確認された。精密な場のマッピング技術を用いて、フェルミ弧表面状態がギャップを持つトポロジカル表面状態に進化する様子が観察され、これまで未観測であったトポロジカル相転移の直接的証拠が得られた。

ABSTRACT

Weyl semimetals are gapless three-dimensional (3D) phases whose bandstructures contain Weyl point (WP) degeneracies. WPs carry topological charge and can only be eliminated by mutual annihilation, a process that generates the various topologically distinct 3D insulators. Time reversal (T) symmetric Weyl phases, containing a minimum of four WPs, have been extensively studied in real materials, photonic metamaterials, and other systems. Weyl phases with a single WP pair - the simplest configuration of WPs - are more elusive as they require T-breaking. Here, we implement a microwave-scale gyromagnetic 3D photonic crystal, and use field-mapping experiments to track a single pair of ideal WPs whose momentum space locations depend strongly on the biasing magnetic field. By continuously varying the field strength, we observe the annihilation of the WPs, and the formation of a 3D Chern insulator, a previously unrealised member of the family of 3D topological insulators (TIs). Surface measurements show, in unprecedented detail, how the Fermi arc states connecting the WPs evolve into TI surface states.

研究の動機と目的

• 光誘導体系において、単一のWeyl点対を有する最小限のWeyl半金属相を実現・観測すること。
• 3次元光誘導体結晶において、外部磁場を用いて時間反転対称性の破れを実証すること。
• Weyl点の制御的消失を通じて、Weyl半金属から3次元チャーン絶縁体へのトポロジカル相転移を観測すること。
• Weyl点の消失過程において、表面状態の進化をマッピングすること。

提案手法

• 外部磁場によるバイアスを施すことにより、Weyl点の位置を調整可能な3次元磁気的特性を持つ光誘導体結晶の設計および作製。
• 運動量空間における電磁モードを測定するため、マイクロ波スケールの場のマッピング実験の実装。
• 磁場バイアス系を用いてWeyl点の位置を連続的に調整し、その消失を観測。
• 表面測定技術を用いて、相転移過程におけるトポロジカル表面状態の進化を追跡。
• バンド構造およびトポロジカル不変量の解析により、3次元チャーン絶縁体相の出現を確認。
• 実験データを理論モデルと比較し、観測された相転移のトポロジカル性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性の破れを伴う光誘導体結晶において、単一のWeyl点対を実験的に実現・制御可能か？
• RQ2 3次元トポロジカル系においてWeyl点対が消失すると、フェルミ弧表面状態はどのように変化するか？
• RQ3 光誘導体系において、Weyl半金属から3次元チャーン絶縁体への遷移を直接観測可能か？
• RQ4 Weyl点の消失過程において、トポロジカル表面状態はどのように進化するか？
• RQ5 磁場の調整が、光誘導体結晶におけるトポロジカル相転移を制御する役割を果たすか？

主な発見

• 外部磁場を調整することで、単一の理想Weyl点対が連続的に消失し、トポロジカル相転移が確認された。
• Weyl点の消失は、これまで実現されていなかった3次元チャーン絶縁体の形成をもたらした。
• 表面測定により、Weyl点を結ぶフェルミ弧状態が消失後にギャップを持つトポロジカル表面状態に進化することが明らかになった。
• Weyl点の運動量空間における位置は、印加磁場に強く依存しており、精密な制御が可能であることが判明した。
• 実験データは、トポロジカル遷移および表面状態の進化に関する理論予測と良好に一致した。
• 本研究は、光誘導体系においてWeyl点対の消失を初めて直接観測し、長年の理論的予想を実証した。