[論文レビュー] Time-reversal symmetry breaking Weyl state in YbMnBi2

С. В. Борисенко, D. V. Evtushinsky+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 13被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、YbMnBi2における時間反転対称性の破れを示すWeyl状態の実験的実現を報告しており、角度分解光電子分光法を用いてWeyl点とそれらを接続するトポロジカルな表面状態を直接観測した。この発見は、量子物質における特異なフェルミオン励起状態を設計するための新しい道筋を示しており、高エネルギー物理学と凝縮系物理学を橋渡しするものである。

ABSTRACT

Detection of Dirac, Majorana and Weyl fermions in real materials may significantly strengthen the bridge between high-energy and condensed-matter physics. While the presence of Dirac fermions is well established in graphene and topological insulators, Majorana particles have been reported recently and evidence for Weyl fermions in non-centrosymmetric crystals has been found only a couple of months ago, the 'magnetic' Weyl fermions are still elusive despite numerous theoretical predictions and intense experimental search. In order to detect a time-reversal symmetry breaking Weyl state we designed two materials with Fermi velocities superior to that of graphene and present here the experimental evidence of realization of such a state in one of them, YbMnBi2. Using angle-resolved photoemission, we directly observe Weyl points and a hallmark of this exotic state - the arc of the surface states which connects these points. Our results not only provide a fundamental link between the two areas of physics, but also demonstrate the practical way to design novel materials with exotic properties.

研究の動機と目的

• 実在の物質において予測されているが、まだ実験的に観測されていない、難解な磁気的Weylフェルミオンを検出すること。
• Weyl状態の可視性を高めるために、高いフェルミ速度を示す材料を特定すること。
• 非対称結晶における時間反転対称性の破れを示すWeyl状態の実験的証明を提供すること。
• 高エネルギー物理学の概念とトポロジカルな量子物質の間の直接的な関連を確立すること。
• 特異な電子的性質を有する新しい量子物質を設計する実用的な戦略を示すこと。

提案手法

• YbMnBi2の電子バンド構造を調べるために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 時間反転対称性の破れの可能性を有する高フェルミ速度の物質として、YbMnBi2が選択された。
• ARPES測定を用いて、バルクバンド構造内のWeyl点を同定した。
• 表面状態を分析して、Weyl点を接続する特徴的なフェルミアーク状態を検出した。
• YbMnBi2におけるWeyl半金属行動の理論的予測が、実験的探索を導くために用いられた。
• 第二の設計材料との比較分析により、YbMnBi2で観測された状態の独自性が確認された。

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示すWeyl状態が、実際の物質で実験的に実現され、検出可能か？
• RQ2 高いフェルミ速度は、Weylフェルミオンの可視性をどのように向上させるか？
• RQ3 YbMnBi2におけるトポロジカルな表面状態（フェルミアーク）は、Weyl点を接続しているか？
• RQ4 YbMnBi2の電子構造は、特異なフェルミオン励起状態の存在をどのように支持しているか？
• RQ5 非対称結晶の設計は、磁気的Weyl状態の安定化に寄与するか？

主な発見

• 角度分解光電子分光法を用いて、YbMnBi2のバルクバンド構造内にWeyl点が直接観測された。
• Weyl点を接続するフェルミアーク表面状態の存在が実験的に確認され、Weyl半金属相の特徴的兆候となった。
• 観測されたWeyl状態は、磁気的Weylフェルミオンの予測通り、時間反転対称性の破れを示していた。
• YbMnBi2は、グラフェンを上回るフェルミ速度を示し、トポロジカルな特徴の可視性が向上した。
• 本研究は、実在の物質における時間反転対称性の破れを示すWeyl状態の最初の実験的証明を提供した。
• 本研究は、特異なトポロジカル性質を有する量子物質を設計するための実現可能な道筋を示した。