[論文レビュー] Tunability of the topological nodal-line semimetal phase in ZrSiX-type materials

M. Mofazzel Hosen, Klauss Dimitri+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Intermetallics and Advanced Alloy Properties被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、チalcogen元素の変化に伴いスピン軌道結合（SOC）の強度が増加することにより、ZrSiX（X = S, Se, Te）における位相的ノードライン半金属相が連続的に調整可能であることを示している。角度分解光電子分光法（ARPES）および第一原理計算を用いて、ZrSiTeではノードライン半金属からギャップを有するノードレス状態への遷移が観測され、M–Γ–M方向に60 meVのギャップが開くことが確認され、この素材群におけるSOC駆動型位相的チューニングの有効性が裏付けられている。

ABSTRACT

The discovery of a topological nodal-line (TNL) semimetal phase in ZrSiS has invigorated the study of other members of this family. Here, we present a comparative electronic structure study of ZrSiX (where X = S, Se, Te) using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and first-principles calculations. Our ARPES studies show that the overall electronic structure of ZrSiX materials comprises of the diamond-shaped Fermi pocket, the nearly elliptical-shaped Fermi pocket, and a small electron pocket encircling the zone center ($Γ$) point, the M point, and the X point of the Brillouin zone, respectively. We also observe a small Fermi surface pocket along the M-$Γ$-M direction in ZrSiTe, which is absent in both ZrSiS and ZrSiSe. Furthermore, our theoretical studies show a transition from nodal-line to nodeless gapped phase by tuning the chalcogenide from S to Te in these material systems. Our findings provide direct evidence for the tunability of the TNL phase in ZrSiX material systems by adjusting the spin-orbit coupling (SOC) strength via the X anion.

研究の動機と目的

• ZrSiX（X = S, Se, Te）材料における電子構造および位相的相の安定性を調査すること。
• チalcogen元素による調整によって変化するスピン軌道結合（SOC）の強度がノードライン半金属相に与える影響を特定すること。
• この素材群における位相的相転移の実験的および理論的兆候を同定すること。
• 非対称空間群対称性およびキャリア補償が位相的状態の保護に果たす役割を明らかにすること。
• 化学置換を用いた位相的半金属相の体系的チューニングプラットフォームを確立すること。

提案手法

• ZrSiS、ZrSiSe、ZrSiTeの単結晶を用いて角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、電子バンド構造およびフェルミ面をマッピングする。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、スピン軌道結合（SOC）がノードライン形成およびギャップ開口に与える影響を計算・分析する。
• 実験的ARPESデータと理論的バンド構造を比較し、ノードラインおよびフェルミ面ポケットの存在と進化を検証する。
• コアレベル分光法および抵抗率測定の分析を通じて、試料の化学 stoichiometry および電子輸送特性を確認する。
• 対称性解析および非対称空間群による保護メカニズムを用いて、X点付近のディラックコーンの頑健性を説明する。
• ZrSiS、ZrSiSe、ZrSiTeにおける化学ポテンシャルのシフトおよびキャリア補償を評価し、磁気輸送応答の差異を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チalcogen元素の原子番号が増加するに従い、ZrSiX（X = S, Se, Te）の電子構造はどのように変化するか？
• RQ2 スピン軌道結合（SOC）がZrSiX素材における位相的ノードライン半金属からギャップを有するノードレス状態への遷移をどのように駆動するか？
• RQ3 なぜZrSiTeではZrSiSおよびZrSiSeに見られないM–Γ–M方向に追加のホール型ポケットが観測されるのか？
• RQ4 非対称空間群対称性およびキャリア補償は、位相的ノードラインの安定性および観測可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ZrSiX素材群において化学置換を用いてノードライン半金属相を連続的にチューニング可能か？

主な発見

• ARPES測定により、ZrSiTeではM–Γ–M方向に小さなホール型フェルミ面ポケットが観測されたが、ZrSiSおよびZrSiSeには存在しなかった。
• 第一原理計算では、ZrSiTeのM–Γ–Mノードラインに60 meVのギャップが開くのを示したが、ZrSiSおよびZrSiSeはほぼギャップレスのままであった。
• チalcogen元素をSからTeに変更することで、ノードライン半金属相がノードレスなギャップを有する半金属相に遷移し、これはスピン軌道結合の強度増加に起因する。
• X点付近のディラックコーンは、SOCの増加にもかかわらず、非対称空間群対称性によって保護され、頑健にギャップレスのままであった。
• ZrSiSおよびZrSiSeは化学ポテンシャルがノードライン付近に位置するほぼキャリア補償半金属であったが、ZrSiTeでは化学ポテンシャルがシフトし、ホール主導の輸送を示した。
• ZrSiTeにキラル異常効果が観測されないのは、事前にギャップが存在するためであり、より高い対称性およびキャリア補償を持つ系で観測される磁場誘発輸送異常を抑制していると考えられる。