[논문 리뷰] A new form of (unexpected) Dirac fermions in the strongly-correlated cerium monopnictides

Nasser Alidoust, A. Alexandradinata외 15명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 28.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 9인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 강한 전자 상관성이 있는 세륨 단할화물(CeX, X = Bi, Sb)에서, 홀수 번째 고대칭 점에서의 밴드 역전으로 인해 발생하는 새로운 형태의 안정적이고 네중으로 디제너레이트된 디рак 페르미온을 보고한다. 대칭 보호가 없고 혼성화가 미미함에도 불구하고, 이러한 디랙 페르미온은 자성 상전이 동안에도 안정성을 유지하며, 기존의 토폴로지적 절연체나 그래핀과는 다름없는 새로운 토폴로지 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Discovering Dirac fermions with novel properties has become an important front in condensed matter and materials sciences. Here, we report the observation of unusual Dirac fermion states in a strongly-correlated electron setting, which are uniquely distinct from those of graphene and conventional topological insulators. In strongly-correlated cerium monopnictides, we find two sets of highly anisotropic Dirac fermions that interpenetrate each other with negligible hybridization, and show a peculiar four-fold degeneracy where their Dirac nodes overlap. Despite the lack of protection by crystalline or time-reversal symmetries, this four-fold degeneracy is robust across magnetic phase transitions. Comparison of these experimental findings with our theoretical calculations suggests that the observed surface Dirac fermions arise from bulk band inversions at an odd number of high-symmetry points, which is analogous to the band topology which describes a $\mathbb{Z}_{2}$-topological phase. Our findings open up an unprecedented and long-sought-for platform for exploring novel Dirac fermion physics in a strongly-correlated semimetal.

연구 동기 및 목표

• 기타 대칭 보호 없이도 존재할 수 있는 강한 상관성이 있는 시스템에서의 디랙 페르미온 상태를 탐색하기 위해 강한 상관성이 있는 세륨 단할화물(CeX, X = Bi, Sb)의 전자 구조를 연구하는 것.
• 기존의 대칭 보호 없이도 디랙 페르미온이 강한 상관성이 있는 시스템에서 나타날 수 있는지 규명하는 것.
• 저운반자 농도와 강한 전자 상관성이 있는 물질에서 안정적이고 혼성화가 없는 디랙 페르미온의 토폴로지 기원을 탐색하는 것.
• 실험적으로 관측된 네중으로 디제너레이트된 디랙 노드를 이론적 밴드 토폴로지 모델과 일치시키는 것.
• 상관 반도체에서 디랙 페르미온 물리학을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 제안하며, 이는 이전의 CeX 물질 연구를 재해석할 가능성을 열어둔다.

제안 방법

• 각도 분해형 광전자 방출 분광법(ARPES)은 고급 라이트 소스(Advanced Light Source, ALS)와 스탠포드 동기방사선광원(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SSRL)에서 수행되었으며, 8–100 eV의 광자 에너지를 사용하였다.
• 초고진공(5×10⁻¹¹ 토르 이하) 조건에서 10 K에서의 실시간 단결정 분할을 통해 고해상도 전자 구조 측정을 위한 청결한 표면 조건을 확보하였다.
• 처음으로 원자적 계산은 VASP를 사용하여 GGA 및 PAW 방법을 적용하였으며, 스핀-오비탈 결합은 두 번째 변분 단계로 포함되었다.
• (001) 표면 상태를 탐색하기 위해 약 6 nm 두께의 슬립 모델과 15 Å 이상의 진공 간격을 시뮬레이션하였다.
• 삼가치 세륨 f 전자는 코어 전자로 간주하였으며, 브릴루아 존 샘플링을 위해 12×12×12 k-메시를 사용하여 기하학적 최적화를 수행하였다.
• 이론적 분석은 고대칭 점(예: Γ, M)에서의 밴드 역전에 초점을 맞추었으며, 관측된 디랙 노드가 음의 간극 간섭 시스템에서 Z₂ 유사 토폴로지 불변량과 연결됨을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간역전 대칭 또는 결정학적 대칭 보호 없이도 강한 상관성이 있는 물질에서 안정적이고 혼성화가 없는 디랙 페르미온이 존재할 수 있는가?
• RQ2 CeX 물질에서 동일한 운동량 위치에서 관측된 네중으로 디제너레이트된 현상의 토폴로지 기원은 무엇인가?
• RQ3 홀수 개의 고대칭 점에서의 부스러기 밴드 역전이 CeX에서 토폴로지적 표면 상태를 어떻게 유도하는가?
• RQ4 혼성화가 미미한데도 불구하고 디랙 페르미온이 자성 상전이 동안 안정성을 유지하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 Γ 점에서 예측된 세 번째 표면 디랙 콘은 외부 조절 인자(예: 압력 또는 합금화)를 통해 실험적으로 해석될 수 있는가?

주요 결과

• CeBi와 CeSb에서 낮은 혼성화를 보이는 매우 비대칭적인 두 개의 디랙 페르미온이 관측되었으며, 동일한 운동량 위치에서 상호 침투하고 있었다.
• 관측된 디랙 노드는 시간역전 대칭 또는 결정학적 대칭 보호 없이도 자성 상전이 동안에도 안정적인 네중으로 디제너레이트된 성질을 유지하였다.
• 관측된 표면 디랙 페르미온은 홀수 개의 고대칭 점에서의 부스러기 밴드 역전으로 인해 기인하며, Z₂ 토폴로지 상태와 유사한 메커니즘을 따른다.
• 처음으로 원자적 계산은 표면 상태가 기존의 토폴로지 절연체나 토폴로지 결정 절연체와는 다름없는 메커니즘을 통해 토폴로지적으로 보호된다는 것을 확인하였다.
• Γ 점에서 세 번째 표면 디랙 콘을 예측하였으며, 이는 부스러기 밴드에 의해 가림을 받고 있어 외부 조절(예: 압력 또는 합금화)을 통해 드러날 수 있다.
• 결정학적 대칭 하에서 토폴로지의 정확한 검증을 위해 스핀 분해 측정을 제안하며, 이러한 발견은 이전의 CeX 물질 연구를 이 디랙 상태의 관점에서 재평가할 필요가 있음을 시사한다.