[論文レビュー] Spontaneous gap opening and potential excitonic states in an ideal Dirac semimetal Ta$_2$Pd$_3$Te$_5$

Peng Zhang, Yuyang Dong+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2023

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、350 Kで自発的なギャップ開きを示し、重ね合わさった相転移を伴わないことから、Ta₂Pd₃Te₅が励起子絶縁体の有望な候補であることが特定された。ギャップは温度低下に伴い増大し、カリウムドーピングによって抑制される。また、準一次元的ディラック半金属であり、理想的に近いディラック分散とほぼゼロのキャリア密度を示す系において、準位の間の平坦なバンドが観測される。これは励起子秩序の主要な特徴である。

ABSTRACT

The opening of an energy gap in the electronic structure generally indicates the presence of interactions. In materials with low carrier density and short screening length, long-range Coulomb interaction favors the spontaneous formation of electron-hole pairs, so-called excitons, opening an excitonic gap at the Fermi level. Excitonic materials host unique phenomenons associated with pair excitations. However, there is still no generally recognized single-crystal material with excitonic order, which is, therefore, awaited in condensed matter physics. Here, we show that excitonic states may exist in the quasi-one-dimensional material Ta$_2$Pd$_3$Te$_5$, which has an almost ideal Dirac-like band structure, with Dirac point located exactly at Fermi level. We find that an energy gap appears at 350 K, and it grows with decreasing temperature. The spontaneous gap opening is absent in a similar material Ta$_2$Ni$_3$Te$_5$. Intriguingly, the gap is destroyed by the potassium deposition on the crystal, likely due to extra-doped carriers. Furthermore, we observe a pair of in-gap flat bands, which is an analog of the impurity states in a superconducting gap. All these observations can be properly explained by an excitonic order, providing Ta$_2$Pd$_3$Te$_5$ as a new and promising candidate realizing excitonic states.

研究の動機と目的

• 共存する相転移が伴わない純粋な励起子秩序を示す単結晶材料を同定すること。
• Ta₂Pd₃Te₅で観測されたエネルギーギャップが、構造的歪みや電荷密度波ではなく、励起子対形成に起因するものかどうかを特定すること。
• ギャップの進化、ドーピング応答、準位内状態といった、励起子秩序の実験的特徴を確立すること。
• 高分解能電子回折と比熱測定を用いて、格子効果と励起子ギャップ形成を区別すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子バンド構造をマッピングし、フェルミ準位でのギャップ開きを検出する。
• 低温ARPES測定を実施し、ギャップの温度依存性を追跡し、温度低下に伴うギャップの増大を確認する。
• カリウム蒸着を用いて外部キャリアを導入し、ギャップの抑制をテストする。これは励起子状態において予想される特徴である。
• 高分解能電子回折を用いて格子歪みを検出し、ギャップの原因としての構造的転移を除外する。
• 比熱測定を実施し、転移の熱力学的特徴を評価し、電子的寄与と格子的寄与を分析する。
• 理論的モデリングにより、励起子絶縁体における非磁性不純物が準位内平坦バンドを形成することを予測し、観測されたARPES特性と整合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ta₂Pd₃Te₅におけるエネルギーギャップが、構造的転移や電荷密度波転移ではなく、励起子秩序に起因するものかどうか？
• RQ2 ギャップは温度にどのように依存し、自発的対称性破れ転移と整合的か？
• RQ3 外部ドーピングによってギャップが抑制されるか？これは励起子状態の予想される特徴である。
• RQ4 予想される励起子絶縁体における不純物状態としての準位内平坦バンドが観測されるか？
• RQ5 ギャップ形成に関連する格子歪みが、検出可能な比熱異常を引き起こすほど十分に大きいのか？

主な発見

• Ta₂Pd₃Te₅では350 Kでエネルギーギャップが自発的に開き、温度低下に伴い増大する。これは温度駆動の電子的転移を示唆する。
• カリウム蒸着によるギャップ抑制が観測され、これは余剰キャリアが励起子秩序を破壊することと整合的である。
• XRDや電子回折による測定で顕著な格子歪みは検出されず、ギャップの原因としての構造的転移を除外できる。
• 準位内に一対の平坦バンドが観測され、超伝導体における不純物状態に類似し、励起子絶縁体の予測と一致する。
• 比熱測定では350 Kで顕著なジャンプが観測されず、電子的寄与が小さく、強い格子異常がないことが示された。
• 電荷密度波や構造的転移が共存しないこと、加えてドーピング応答と準位内状態の挙動から、励起子秩序が支配的メカニズムであると強く支持される。