[論文レビュー] Topological Nodal-Line Fermions in the Non-Centrosymmetric Superconductor Compound PbTaSe2

Guang Bian, Tay‐Rong Chang+19 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、角度分解光電子分光法（ARPES）、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算、および理論的解析を統合することで、非対称中心を有する超伝導体PbTaSe2において位相的ノードラインフェルミオンを同定した。ノードラインはミラー対称性によって保護され、整数位相的不変量で特徴づけられ、このような状態が超伝導系において実験的に初めて実現されたものであり、ヘリカル超伝導性およびp波対称性のペアリングの可能性を有する。

ABSTRACT

We report the identification of a Topological Nodal-Line Semimetal state in PbTaSe2.

研究の動機と目的

• 非対称中心を有する超伝導体PbTaSe2における位相的ノードラインフェルミオンの同定と特徴づけ。
• ノードラインの位相的保護機構を特定すること、特にミラー対称性とスピン軌道結合の役割を解明すること。
• PbTaSe2における位相的ノードライン状態と内在的超伝導性との相乗的相互作用を調査すること。
• 非自明な表面状態の出現とそれらが非単純超伝導性との潜在的関連性を探索すること。
• ノードラインフェルミオンと超伝導性の共存に起因する特異な量子現象を研究するための基盤を確立すること。

提案手法

• PbCl2を輸送剤として用い、超高真空条件下で化学気相成長法（CVT）を用いてPbTaSe2の単結晶を成長させた。
• 液体窒素温度でエネルギー分解能 <20 meV、動径分解能 ~1% 表面ブリユアンゾーンの角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• スピン軌道結合を自己無撞着に含めたGGA-PBEフレームワークにおけるノーマルコンサービング擬ポテンシャルを用いた第一原理DFT計算を実施した。
• Pb p、Ta s/d、Se p状態に投影したワニエ軌道を用いてタイトバインディングモデルを構築し、表面電子構造を模擬した。
• ノードラインの非自明性を確認するための位相的不変量を計算し、ミラー対称性に起因する整数不変量を示した。
• 77 Kで走査型トンネル顕微鏡（STM）測定を実施し、原子スケールでの表面状態と電子構造をプローブした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PbTaSe2のバンド構造はどのような位相的性質を示し、その電子スペクトルに保護されたノードラインが存在するか？
• RQ2 PbTaSe2におけるノードラインを保護する対称性は何か？また、それらが位相的不変量に与える影響は？
• RQ3 ARPESで観測された表面状態は、バルクのノードライン構造とどのように関連しているか？
• RQ4 PbTaSe2の内在的超伝導性は、ノードライン状態と共存可能であり、それらに影響を与えるか？
• RQ5 位相的ノードラインの存在が、p波ペアリングを含む非単純超伝導性の可能性を高める要因となるか？

主な発見

• ARPES測定により、PbTaSe2のバルクバンド構造に一次元のノードラインが直接観測された。これは電子分光分散の動径空間マッピングによって裏付けられた。
• ノードラインはミラー対称性によって保護され、非自明な整数位相的不変量で特徴づけられ、ウェイル半金属とは明確に区別される。
• 第一原理DFT計算によりノードライン構造が再現され、スピン軌道結合および非対称中心結晶構造が位相的状態を安定化させる役割を果たすことが確認された。
• 非自明な表面状態がフェルミ準位付近に観測され、位相的ノードライン半金属のバルク-境界対応と整合的であった。
• Pb由来の軌道と内在的超伝導性の存在から、位相的ノードライン状態とヘリカル超伝導性の共存が可能性として示唆された。
• 延長されたノードラインに起因するフェルミ準位における高い状態密度が観測され、p波ペアリングのような相互作用駆動型不安定性の発現確率が高まっていることが示された。