[논문 리뷰] Anomalies in the temperature evolution of the Dirac states in a topological crystalline insulator SnTe

Ayanesh Maiti, Ram Prakash Pandeya외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 14.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 ARPES 및 최초 원리 DFT 계산을 통해 양자물질인 SnTe의 위상적 결정립상 절연체(TCI)에서의 표면 상태의 온도 의존성 비정상 현상을 조사한다. 이는 복합적인 하이브리드화와 밴드 역전 변화로 인해 발생하는 비단조적 변화를 보이며, 비선형적인 진동과 응력 변화로 인해 에너지 수준에서의 디랙 상태 강도가 급격히 감소함으로써, 위상적 물질에서 열적 영향에 대한 강건성 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Discovery of topologically protected surface states, believed to be immune to weak disorder and thermal effects, opened up a new avenue to reveal exotic fundamental science and advanced technology. While time-reversal symmetry plays the key role in most such materials, the bulk crystalline symmetries such as mirror symmetry preserve the topological properties of topological crystalline insulators (TCIs). It is apparent that any structural change may alter the topological properties of TCIs. To investigate this relatively unexplored landscape, we study the temperature evolution of the Dirac fermion states in an archetypical mirror-symmetry protected TCI, SnTe employing high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory studies. Experimental results reveal a perplexing scenario; the bulk bands observed at 22 K move nearer to the Fermi level at 60 K and again shift back to higher binding energies at 120 K. The slope of the surface Dirac bands at 22 K becomes smaller at 60 K and changes back to a larger value at 120 K. Our results from the first-principles calculations suggest that these anomalies can be attributed to the evolution of the hybridization physics with complex structural changes induced by temperature. In addition, we discover drastically reduced intensity of the Dirac states at the Fermi level at high temperatures may be due to complex evolution of anharmonicity, strain, etc. These results address robustness of the topologically protected surface states due to thermal effects and emphasize importance of covalency and anharmonicity in the topological properties of such emerging quantum materials.

연구 동기 및 목표

• 위상적 결정립상 절연체(TCI)인 SnTe에서 위상적으로 보호된 표면 상태의 열적 안정성을 조사하기 위해.
• 온도에 의한 구조적 변화가 디랙 페르미온 상태와 위상적 보호에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 공유 결합성, 비선형성, 응력이 양자물질의 위상적 성질을 어떻게 조절하는지 탐색하기 위해.
• Fermi 수준 근처에서의 밴드 분산과 스펙트럼 강도의 온도 변화에 대한 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 21.2 eV 광자 에너지에서 5 meV 에너지 해상도를 가진 고해상도 각도분석 광전자방출분광법(ARPES).
• 표본 온도를 22 K에서 120 K로 변화시키기 위해 봉쇄형 헬륨 냉각기 사용.
• VASP에서 GGA-PBE 및 PAW 포텐셜을 사용한 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 하이브리드화 효과를 규명하기 위해 궤도별 밴드 구조 및 부분 밀도 상태(PDOS) 분석.
• Wannier 함수 구축 및 Wanniertools를 통한 위상적 표면 상태 계산.
• 표본 품질과 상전이 부재를 확인하기 위해 전기저항, 비열 및 라우에 회절의 종합적 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도가 SnTe에서 부스터 밴드와 표면 상태의 에너지 위치 및 분산에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 디랙 콘의 기울기와 부스터 밴드 위치가 온도 상승에 따라 비단조적 변화를 보이는가?
• RQ3 고온에서 Fermi 수준 근처의 디랙 상태 스펙트럼 강도가 급격히 감소하는 원인은 무엇인가?
• RQ4 비선형성, 응력, 하이브리드화 역학이 TCI에서 위상적 보호에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 온도에서 SnTe의 구조적 왜곡이 관측된 전자 구조의 이질성에 설명을 줄 수 있는가?

주요 결과

• 22 K에서 60 K 사이에 부스터 밴드가 Fermi 수준 쪽으로 이동하고, 120 K에서 높은 비결합 에너지로 이동함으로써 비단조적 온도 변화를 나타냄.
• 22 K에서 60 K 사이에 표면 디랙 밴드의 기울기가 감소하고, 120 K에서 복구됨으로써 밴드 분산의 동적 변화를 반영함.
• 최초 원리 계산은 이러한 이질성을 온도에 의한 구조적 왜곡으로 인한 변화하는 하이브리드화와 밴드 역전으로 기인함을 규명함.
• 고온에서 Fermi 수준 근처의 디랙 상태 스펙트럼 강도가 급격히 감소하며, 이는 복잡한 비선형성과 응력 효과와 관련됨.
• 전기저항 및 비열 데이터에서 구조 전이가 없음을 확인하여 표본 품질이 높음을 확인하고, 단순한 상전이가 원인임을 배제함.
• 공유 결합성과 격자 비선형성이 열 자극 하에서 위상적 보호를 불안정하게 만드는 주요 요인임을 규명함.