[論文レビュー] Realization of a Type-II Nodal-Line Semimetal in Mg$_3$Bi$_2$

Tay-Rong Chang, I. Pletikosić+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、Mg₃Bi₂がタイプ-IIノードループ半金属であることを提案し、実験的に確認した。Γ点付近のバンド縮重の閉じたループは強く傾いているため、異方的分散とドラムヘッド型表面状態を示す。第一原理計算および角度分解光電子分光法（ARPES）により、スピン軌道相互作用によって生じる小さなギャップ（約35 meV）を有するタイプ-IIノードループの存在が確認され、Mg₃Bi₂はノードループフェルミオンにおける特異なトポロジカルな現象を研究する強固なプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

Nodal-line semimetals (NLSs) represent a new type of topological semimetallic beyond Weyl and Dirac semimetals in the sense that they host closed loops or open curves of band degeneracies in the Brillouin zone. Parallel to the classification of type-I and type-II Weyl semimetals, there are two types of NLSs. The conventional NLS phase, in which the two bands forming the nodal line have opposite signs for their slopes along any direction perpendicular to the nodal line, has been proposed and realized in many compounds, whereas the exotic type-II NLS is very rare. Our first-principles calculations show that Mg$_3$Bi$_2$ is a material candidate that hosts a single type-II nodal loop around $Γ$. The band crossing is close to the Fermi level and the two crossing bands have the same sign in their slopes along the radial direction of the loop, indicating the type-II nature of the nodal line. Spin-orbit coupling generates only a small energy gap ($\sim$35 meV) at the nodal points and does not negate the band dispersion of Mg$_3$Bi$_2$ that yields the type-II nodal line. Based on this prediction we have synthesized Mg$_3$Bi$_2$ single crystals and confirmed the presence of the type-II nodal lines in the material. Our angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements agree well with our first-principles results and thus establish Mg$_3$Bi$_2$ as an ideal materials platform for studying the exotic properties of type-II nodal line semimetals.

研究の動機と目的

• タイプ-IIノードループ半金属という、高エネルギー物理学に類似した相がないトポロジカル相を同定・実現すること。
• 理論的に予測されているが、まだ観測されていない実験的にアクセス可能なタイプ-IIノードループ半金属の不足を解消すること。
• 第一原理計算およびARPESを用いて、Mg₃Bi₂におけるΓ点周辺の傾いたノードループの存在を確認すること。
• スピン軌道相互作用とノードループトポロジーの相乗効果、特にそれが誘導する小さなギャップの性質を解明すること。
• Mg₃Bi₂を、タイプ-IIノードループフェルミオンの特異な輸送、光学的および磁気的性質を研究するための実用的プラットフォームとして確立すること。

提案手法

• Mg₃Bi₂の電子バンド構造を計算するために、投影原子軌道法（PAW）および一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• スピン軌道相互作用（SOC）は、15×15×11のモンクロルト・パックkポイントメッシュを用いて自己無撞着に取り入れた。
• VASP2WANNIER90インターフェースを用いてWannier関数を構築し、表面状態計算のためのタイトビンディングモデルを生成した。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）は、Advanced Light Sourceのビームライン4.0.3を用い、60–110 eVの光子エネルギーとScienta R8000アナライザーで実施した。
• 単結晶はBiを過剰に含む溶液法を用いて成長させ、X線回折（XRD）で構造を同定し、La₂O₃型構造を確認した。
• Wannierモデルに基づく半無限系の表面グリーン関数から、表面電子構造を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mg₃Bi₂は、強く傾いたノードループを有するタイプ-IIノードループ半金属相を有するか？
• RQ2 スピン軌道相互作用がMg₃Bi₂におけるノードループ構造に及ぼす影響は何か？
• RQ3 ノードループ内部にドラムヘッド型表面状態が実験的に観測可能か？
• RQ4 スピン軌道相互作用を含めた場合、Mg₃Bi₂のバンド構造はトポロジカル絶縁体相と整合するか？
• RQ5 化学置換によりMg₃Bi₂のバンドギャップを調整可能で、トポロジカル性質を強化できるか？

主な発見

• Mg₃Bi₂はΓ点に中心を置く単一のタイプ-IIノードループを有しており、径方向のバンド分散が強く傾いていることが確認され、タイプ-II性質が裏付けられた。
• ノードループはフェルミエネルギー畝よりわずかに上方に位置し、径方向に同じ符号の勾配を持つ二つのバンドが交差しており、これはタイプ-IIノードループ半金属の特徴的特徴である。
• スピン軌道相互作用により、ノードループ点に約35 meVの小さなエネルギーギャップが開き、系は強トポロジカル絶縁体に変わることが分かった。
• ARPES測定結果は第一原理計算と良好に一致し、ノードループおよびその内部のドラムヘッド型表面状態の存在が確認された。
• ドラムヘッド表面状態はヘリカルスピンテクスチャーを示し、主に⟨S_y⟩が支配的であり、二つの表面バンドは同じスピンヘリシティを持つため、ラシバ型バンド構造とは一致しない。
• Mg₃Bi₂の小さなSOCギャップは、Cu₃PdN（62 meV）などのタイプ-Iノードループ材料と同等またはそれ未満であり、合金化（例：Bi→Sb や As）による調整が可能であると考えられる。