[論文レビュー] Strong Anisotropy of Dirac Cone in SrMnBi2 and CaMnBi2 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Ya Feng, Zhijun Wang+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、SrMnBi2とCaMnBi2が強い異方性を示すディラック準拠を有することを実証した。これは、スピン軌道結合の違いとBi正方形格子の上下にあるAサイトイオン（SrとCa）の空間配置の違いに起因する、顕著な電子的構造の相違から生じる。主な発見は、CaMnBi2が分離され、巨大な異方性を示すディラック準拠を示す一方、SrMnBi2では強化されたスピン軌道結合により下位のディラック準拠にギャップが開くことである。これにより、AMnBi2系がディラック準拠の異方性を工学的に制御可能なプラットフォームとして利用可能であることが確立された。

ABSTRACT

The Dirac materials, such as graphene and three-dimensional topological insulators, have attracted much attention because they exhibit novel quantum phenomena with their low energy electrons governed by the relativistic Dirac equations. One particular interest is to generate Dirac cone anisotropy so that the electrons can propagate differently from one direction to the other, creating an additional tunability for new properties and applications. While various theoretical approaches have been proposed to make the isotropic Dirac cones of graphene into anisotropic ones, it has not yet been met with success. There are also some theoretical predictions and/or experimental indications of anisotropic Dirac cone in novel topological insulators and AMnBi2 (A=Sr and Ca) but more experimental investigations are needed. Here we report systematic high resolution angle-resolved photoemission measurements that have provided direct evidence on the existence of strongly anisotropic Dirac cones in SrMnBi2 and CaMnBi2. Distinct behaviors of the Dirac cones between SrMnBi2 and CaMnBi2 are also observed. These results have provided important information on the strong anisotropy of the Dirac cones in AMnBi2 system that can be governed by the spin-orbital coupling and the local environment surrounding the Bi square net.

研究の動機と目的

• 理論的に予測されたが、まだ明確に観測されていない強力な異方性を示すディラック準拠が、SrMnBi2およびCaMnBi2に存在するかどうかを実験的に確認すること。
• AMnBi2（A = Sr, Ca）材料におけるディラック準拠の異方性の起源を解明すること、特にBi正方形格子周囲の局所的結晶環境とスピン軌道結合の役割を特定すること。
• 以前のバンド構造計算と実験的観測との間に生じていた矛盾、特にCaMnBi2におけるディラック準拠の存在とトポロジーに関して解消すること。
• Bi正方形格子の上下に配置されたSrまたはCaイオンの配置が、ディラック準拠の分散およびフェルミ表面トポロジーをどのように制御するかを直接実験的に証明すること。

提案手法

• SrMnBi2およびCaMnBi2のイン-situで割れた単結晶を用い、ヘリウム-イオンα線源（hν = 21.218 eV）を用いた高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、エネルギー分解能20 meV、角度分解能約0.3°を達成した。
• フェルミエネルギーの基準として、割れた多結晶金接触のフェルミ端を用い、正確なエネルギーキャリブレーションを実現した。
• 電子的構造計算には、GGA-PBE交換相関関数を用い、スピン軌道結合を2段階の変分手続きにより組み込んだフルポテンシャル線形化 augmented 平面波（FP-LAPW）法を採用した。
• バンド構造計算には13×13×5のkポイントメッシュを用い、ムフィン・トライアングル半径を2.50ボーア、RminKmax = 7.0を設定し収束を確保した。
• ARPESデータから定エネルギー等高線およびフェルミ表面マップを抽出し、計算されたバンド構造と比較することで、観測されたディラック準拠の異方性を検証した。
• 特にΓ–MおよびX–M方向に沿ったカットプロファイルを分析し、分散の異方性およびギャップの開きを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンド構造計算で予測されたように、SrMnBi2およびCaMnBi2は強い異方性を示すディラック準拠を有するのか？
• RQ2 Bi正方形格子の上下に配置されたSrまたはCaイオンの配置が、ディラック準拠の分散およびフェルミ表面トポロジーにどのように影響を与えるのか？
• RQ3 同じ結晶構造を有するにもかかわらず、SrMnBi2とCaMnBi2が異なるフェルミ表面の形状とディラック準拠の可視性を示す理由は何か？
• RQ4 スピン軌道結合が、これらの材料のディラック準拠におけるギャップの開きと異方性をどれほど支配しているのか？
• RQ5 AMnBi2系は、化学的置換や構造的チューニングによってディラック準拠の異方性を工学的に制御可能なチューナブルプラットフォームとして利用可能なのか？

主な発見

• ARPES測定により、SrMnBi2およびCaMnBi2の両方が強い異方性を示すディラック準拠を有することが確認された。特に、CaMnBi2のディラック準拠は巨大な異方性を示した。
• SrMnBi2では、Γ–M方向に大きなスピン軌道結合に起因するギャップ（約100 meV）が開いているため、下位のディラック準拠のみが観測され、上位の準拠はフェルミエネルギーの上にある。
• CaMnBi2では、下位および上位の両方のディラック準拠が観測され、X点付近で上位準拠がフェルミエネルギー以下に位置しており、SrMnBi2に比べて小さなギャップ（約50 meV）であることが示された。
• SrMnBi2のフェルミ表面は、4つの明確な強度セグメントから構成されるが、CaMnBi2は大きなダイヤモンド型フェルミポケットを示し、バンド構造計算と整合的である。
• ARPESと計算から得られた定エネルギー等高線は、両材料においてΓ–M対角に月牙型のフェルミポケットを示し、実験と理論の間で良好な一致を示した。
• Γ–M方向に沿ったバンド分散は、CaMnBi2の方がSrMnBi2よりも著しく平坦であり、これは交互に配置されたCaの配置が、一致するSrの配置に比べて混合を弱め、分散を減少させるためであると解釈された。