[論文レビュー] Topological Lifshitz transition in Weyl semimetal NbP decorated with heavy elements

A. S. Wadge, B.J. Kowalski+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、P-終端表面に1原子層（ML）のPbをインサイトデポジションすることで、Weyl半金属NbPにおいてトポロジカルLifshitz遷移（TLT）が実証された。これにより、隣接するブリユアンゾーン間のWeyl点を結ぶ表面フェルミアークのトポロジカルなテレポートーションが誘発された。ARPESにより、Pb被覆がフェルミエネルギーをシフトさせ、表面フェルミアーク（SFAs）を再構成するが、トポロジカル保護は維持される。一方、Nb被覆（0.8 ML）は完全なTLTを伴わない予備状態を誘発する。

ABSTRACT

Studies of the Fermi surface modification after in-situ covering NbP semimetal with heavy elements Pb and Nb ultrathin layers were performed by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). First, the electronic structure was investigated for pristine single crystals with two possible terminations (P and Nb) of the (0 0 1) surface. The nature of the electronic states of these two cleaving planes is different: P-terminated surface shows spoon and bow tie shaped fingerprints, whereas these shapes are not present in Nb-terminated surfaces. ARPES studies show that even 1 monolayer (ML) of Pb causes topological quantum Lifshitz transition (TQLT) in P- and Nb-terminated surfaces. Deposited Pb 5d electrons have wide extended atomic orbitals which leads to strong hybridization with Pb-terminated surface and a corresponding shift in the Fermi energy. Nb has less capability to perturb the system than Pb because Nb has weaker spin-orbit coupling than Pb. Nb-terminated surface subjected to surface decoration with approximately 1.3 ML of Nb shows no dramatic modification in the Fermi surface. In the case of Nb decorated P-terminated surface, deposition of approximately 1 ML modifies the electronic structure of NbP and it is on the verge of TQLT. Despite the strong spin-orbit and strong hybridization of the heavy elements on the surface, it is possible to observe the TQLT of the surface states thanks to the robustness of the bulk topology.

研究の動機と目的

• Weyl半金属NbPの電子状態が、重元素キャッピング（Pb、Nb）によってどのように変化するかを調査すること。
• 表面に重元素を被覆することで、NbPにトポロジカルLifshitz遷移（TLT）が誘発されるかどうかを特定すること。
• 表面終止状態（P-終端対比Nb-終端）が、トポロジカル保護された表面状態の出現をどのように支配するかを検討すること。
• キャッピング層などの外部摂動を用いて、フェルミアークの接続性およびトポロジーを制御する可能性を探索すること。
• 強いスピン軌道結合と混合を伴う状況下で、トポロジカル遷移とトレヴィアLifshitz遷移を区別すること。

提案手法

• SOLARIS自己走線のUARPESビームラインで、高エネルギー分解能（1.8 meV）および高角度分解能（0.1°）を有する角度分解光電子分光法（ARPES）を用いる。
• 超高真空（UHV）条件下で、切断したNbP単結晶表面にPb（1 ML）およびNb（0.8 ML）をインサイトデポジションする。
• キャッピング前後におけるP-終端およびNb-終端（001）表面の系統的ARPES測定により、バンド構造およびフェルミ表面の進化を追跡する。
• キャッピング後の元素組成および界面化学を確認するためのコアレベル分光法を用いる。
• 高対称性経路（Γ–X、M–Yなど）に沿った定エネルギー等高線およびバンド分散の比較により、表面状態およびフェルミアーク再構成を同定する。
• 3次元強度プロットを用いて、異なるキャッピング条件におけるフェルミ表面トポロジーの進化を可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 P-終端NbP表面に1 MLのPbを堆積させると、トポロジカルLifshitz遷移（TLT）が誘発されるか？
• RQ2 Pb被覆後、フェルミ表面および表面フェルミアーク（SFA）の接続性はどのように変化するのか？また、Weyl点のヘリシティの役割は何か？
• RQ3 0.8 MLのNb被覆がP-終端NbPの電子状態に及ぼす影響は何か？また、これはTLTへ向かう過程を誘発するか？
• RQ4 Pb被覆に対する、Nb-終端面とP-終端面における、トレヴィア状態とトポロジカル状態の表面状態の応答の違いは何か？
• RQ5 強いスピン軌道結合および混合を示す重元素が、軽元素被覆と比較して、異なるトポロジカル遷移を誘発できるか？

主な発見

• P-終端NbP表面に1 MLのPbを堆積させることで、トポロジカルLifshitz遷移（TLT）が誘発され、表面フェルミアーク（SFAs）が隣接するブリユアンゾーン内のWeyl点間をトポロジカルにテレポートする。
• TLTは、フェルミエネルギーの測定可能なシフトおよびフェルミ表面の再構成を伴い、ARPESバンド分散および定エネルギー等高線により確認された。
• 1 MLのPb堆積後も、SFAsは相反するヘリシティを持つトポロジカル保護されたWeyl点に接続されたままであり、トポロジカル保護が維持されている。
• P-終端NbPに0.8 MLのNbを被覆すると、TLTの予備状態が誘発され、電子状態は変化するが完全なトポロジカル遷移は発生しない。
• Nb-終端表面では、1.9 MLのPb被覆により、トポロジカル再構成を伴わないトレヴィアLifshitz遷移が誘発され、トレヴィア表面状態が変化するにとどまる。
• P-終端表面には、ス汤型およびリボン型の表面状態が顕著に現れるが、Nb-終端表面には同様の状態は観察されず、表面終止状態に固有の依存性が示された。