[論文レビュー] Two-dimensional Dirac nodal-line semimetal protected by symmetry

Xingxia Cui, Yafei Li+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、3原子層ビスマス（3-AL Bi(110)）薄膜を黒リン上にエpitaxially成長させた系において、内在的結晶対称性によって保護される2次元ディラクノードルライン半金属（2D DNLS）の初の実験的実現を報告している。非単純空間群対称性がスピン軌道結合からディラクノードルラインを位相的に保護し、4重簡約性を有する安定した線形分散ディラクバンドの実現を可能にした。このことは、分子線エpitaxy（MBE）、STM、nc-AFM、DFT、空間群解析によって確認された。

ABSTRACT

Dirac nodal line semimetals (DNLSs) host relativistic quasiparticles in their one-dimensional (1D) Dirac nodal line (DNL) bands that are protected by certain crystalline symmetries. Their novel low-energy fermion quasiparticle excitations and transport properties invite studies of relativistic physics in the solid state where their linearly dispersing Dirac bands cross at continuous lines with four-fold degeneracy. In materials studied up to now, the four-fold degeneracy, however, has been vulnerable to suppression by the ubiquitous spin-orbit coupling (SOC). Despite the current effort to discover 3D DNLSs that are robust to SOC by theory, positive experimental evidence is yet to emerge. In 2D DNLSs, because of the decreased total density of states as compared with their 3D counterparts, it is anticipated that their physical properties would be dominated by the electronic states defined by the DNL. It has been even more challenging, however, to discover robust 2D DNLSs against SOC because of their lowered symmetry; no such materials have yet been predicted by theory. By combining molecular beam epitaxy growth, STM, nc-AFM characterisation, with DFT calculations and space group theory analysis, here we reveal a novel class of 2D crystalline DNLSs that host the exact symmetry that protects them against SOC. The discovered quantum material is a brick phase 3-AL Bi(110), whose symmetry protection and thermal stability are imparted by the compressive vdW epitaxial growth on black phosphorus substrates. The BP substrate templates the growth of 3-AL Bi(110) nano-islands in a non-symmorphic space group structure. This crystalline symmetry protects the DNL electronic phase against SOC independent of any orbital or elemental factors. We theoretically establish that this intrinsic symmetry imparts a general, robust protection of DNL in a series of isostructural 2D quantum materials.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合（SOC）に対する耐性を示す2次元ディラクノードルライン半金属（2D DNLS）を発見すること。これは、2次元系において対称性が低下するため、主な挑戦要因である。
• 軌道的・元素的要因に依存せず、内在的にディラクノードルライン（DNL）を保護する結晶対称性機構を同定すること。
• このような対称性保護が、線形分散を示す安定な4重簡約性DNLバンドを有する2次元量子材料に実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 3原子層ビスマス（3-AL Bi(110)）ナノ島を、黒リン基板上に分子線エpitaxy（MBE）法を用いて成長させた。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）および非接触原子間力顕微鏡（nc-AFM）を用いて、3-AL Bi(110)島の原子構造および表面形態を評価した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、電子バンド構造を解析し、4重簡約性を有するディラクノードルラインの存在を確認した。
• 空間群理論解析を用いて、DNLの位相的保護を担う非単純空間群対称性（特にI4/mmm空間群）を同定した。
• 黒リン基板からのエpitaxialひずみが、3-AL Bi(110)相を安定化させるとともに、DNL保護に寄与する対称性を強制したことを示した。
• 理論的モデリングにより、この対称性保護が、ビスマスに限らず類似構造を有する2次元材料のクラスに一般化可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元系において、スピン軌道結合に対して耐性を示す2次元ディラクノードルライン半金属を安定化させることは可能か？
• RQ2 2次元材料において、電子的・元素的要因に依存せず、内在的に位相的保護を提供する特定の結晶対称性は何か？
• RQ3 黒リン上へのエpitaxial成長が、非単純空間群対称性を有する3-AL Bi(110)相の形成にどのように寄与するか？
• RQ4 3-AL Bi(110)に見られる非単純空間群対称性が、ディラクノードルラインにおける4重簡約性の解消をどの程度抑制するか？
• RQ5 3-AL Bi(110)で観察された対称性保護機構は、類似した結晶構造を有する他の2次元材料へ一般化可能か？

主な発見

• 黒リン上に成長した3-AL Bi(110)薄膜は、DFT計算およびSTM測定により、4重簡約性を有するディラクノードルライン（DNL）を示すことが確認された。
• DNLは、3-AL Bi(110)構造の非単純空間群対称性（I4/mmm）によって位相的に保護されており、スピン軌道結合による分裂を防いでいる。
• 黒リン基板上へのエpitaxial成長が圧縮ひずみを誘発し、3-AL Bi(110)相の安定化とDNL保護に寄与する対称性の維持を促進した。
• 理論的解析により、この対称性保護は一般化可能であり、ビスマスに限らず類似構造を有する2次元材料のシリーズに適用可能であることが確認された。
• 3-AL Bi(110)系は高い熱安定性と明確な原子層構造を示し、DNL相の安定な観察を可能にした。
• DNLにおけるスピン軌道結合による分裂の欠如は、物質固有の電子的・軌道的特性とは無関係に、結晶対称性に起因するものであると特定された。