[논문 리뷰] A strongly robust Weyl fermion semimetal state in Ta$_{3}$S$_{2}$

Guoqing Chang, Su‐Yang Xu외 12명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 타원형 구조의 첫 번째 원자력 계산과 대칭성 분석을 통해, 알려진 후보들 중에서 가장 큰 운동량 공간에서의 와일 노드 간 거리(약 타아르세닉화물의 두 배, WTe₂의 스무 배)를 가진 매우 강건한 타입-II 와일 반도체인 Ta₃S₂를 제안한다. 이 강건성은 내재된 구조적 안정성, 정밀 조정이 필요하지 않은 점, 그리고 격자 팽창에 의해 접근 가능한 위상적 금속-절연체 전이로 인해 발생하며, 이는 카이랄 이상 현상과 향후 장치 응용을 탐색하는 데 이상적이다.

ABSTRACT

Weyl semimetals are extremely interesting. Although the first Weyl semimetal was recently discovered in TaAs, research progress is still significantly hindered due to the lack of robust and ideal materials candidates. In order to observe the many predicted exotic phenomena that arise from Weyl fermions, it is of critical importance to find robust and ideal Weyl semimetals, which have fewer Weyl nodes and more importantly whose Weyl nodes are well separated in momentum space and are located close to the chemical potential in energy. In this paper, we propose by far the most robust and ideal Weyl semimetal candidate in the inversion breaking, single crystalline compound tantalum sulfide Ta$_3$S$_2$ with new and novel properties beyond TaAs. We find that Ta$_3$S$_2$ has only 8 Weyl nodes, all of which have the same energy that is merely 10 meV below the chemical potential. Crucially, our results show that Ta$_3$S$_2$ has the largest $k$-space separation between Weyl nodes among known Weyl semimetal candidates, which is about twice larger than TaAs and twenty times larger than the predicted value in WTe$_2$. Moreover, we predict that increasing the lattice by $<4\%$ can annihilate all Weyl nodes, driving a novel topological metal-to-insulator transition from a Weyl semimetal state to a topological insulator state. We further discover that changing the lattice constant can move the Weyl nodes and the van Hove singularities with enhanced density of states to the chemical potential. Our prediction provides a critically needed robust candidate for this rapidly developing field. The well separated Weyl nodes, the topological metal-to-insulator transition and the remarkable tunabilities suggest Ta$_3$S$_2$'s potential as the ideal platform in future device-applications based on Weyl semimetals.

연구 동기 및 목표

• 운동량 공간에서 최대한으로 분리된 와일 노드를 가진 와일 반도체를 식별하고 설계하여 실험적 관측 가능성과 강건성을 향상시키기 위해.
• 결정 구조, 대칭성, 밴드 위상학을 바탕으로 강건한 와일 반도체 후보를 예측하는 일반적인 방법론을 수립하기 위해.
• 기존의 와일 반도체 후보들 중에서 Ta₃S₂가 가장 큰 k-공간에서의 와일 노드 간 거리를 가지며, TaAs와 WTe₂를 초월함을 입증하기 위해.
• 격자 공학을 통해 Ta₃S₂에서 위상적 금속-절연체 전이를 유도할 수 있는 실험적으로 실현 가능한 경로를 탐색하기 위해.
• 와일 페르미온의 존재를 운반성도 측정 및 광전자 방출 측정을 통해 실험적으로 관측 가능함을 검증하기 위해, 노드가 패배 수준에 가까이 위치해 있음을 고려하여.

제안 방법

• Ta₃S₂의 전자 밴드 구조와 와일 노드 위치를 계산하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용한다.
• 와일 노드 근처의 밴드 분산을 분석하여 기울어진 원뿔과 안장점 밴드 구조를 특징으로 하는 타입-II 와일 페르미온 행동을 확인한다.
• 밴드의 안장점 성질로 인해 와일 노드에서 반-호프 싱귤라리티가 존재함을 규명하며, 이는 밀도 상태를 증가시킨다.
• 위상적으로 와일 노드를 보호하는 비대칭성의 부재를 대칭성 분석을 통해 확인한다.
• 구조적 변형을 통한 격자 팽창 효과를 시뮬레이션하여 위상적 상전이로 인한 위상 절연체 상태로의 전이를 예측한다.
• b-격자 상수를 약 4% 증가시키기 위한 세 가지 실험적 경로를 제안한다: 외부 압력(~6 GPa), 기질의 격자 불일치에 의한 에피택셜 응력, 이소전자 치환(예: S를 Se로 치환).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ta₃S₂에서 와일 노드의 운동량 공간에서의 간격은 얼마이며, 다른 알려진 와일 반도체 후보들과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ2 Ta₃S₂는 화학 조성이나 외부 필드의 정밀 조정 없이도 강건한 와일 반도체 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ3 Ta₃S₂에서 와일 반도체에서 위상 절연체로의 위상 전이 경로는 무엇이며, 실험적으로 접근 가능한가?
• RQ4 와일 노드에서의 반-호프 싱귤라리티 존재가 Ta₃S₂의 전자적 및 운반성 특성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 Ta₃S₂에서의 와일 노드 간 거리는 광전자 방출 또는 스캐닝 턨널링 분광법을 통해 실험적으로 해상할 수 있는가?

주요 결과

• Ta₃S₂는 알려진 와일 반도체 후보들 중에서 가장 큰 k-공간에서의 와일 노드 간 거리를 가지며, 이는 TaAs의 약 두 배이자 WTe₂의 스무 배에 해당한다.
• Ta₃S₂의 와일 노드는 패배 수준 근처에 위치해 있어, 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 통한 직접 관측이 가능하다.
• 와일 노드 근처의 밴드 구조는 안장점을 형성하여 반-호프 싱귤라리티를 유도하며, 이는 밀도 상태를 증가시키고 DOS의 첫 번째 도함수에서 발산을 일으킨다.
• b-격자 상수 약 4%의 증가가 모든 와일 노드를 소멸시켜 시스템을 위상 절연체 상태로 이끌 것으로 예측된다.
• 필요한 격자 팽창은 외부 압력(~6 GPa), 기질의 불일치에 의한 에피택셜 응력, 또는 이소전자 치환(예: Ta₃(S₁₋ₓSeₓ)₂)을 통해 실험적으로 실현 가능하다.
• Ta₃S₂는 단일 결정성이며, 반전 대칭이 없는 화합물로서 내재된 안정성과 실험적 실현 가능성 덕분에 카이랄 이상 현상과 몰리포일 물리학을 탐색하는 데 이상적이다.