[논문 리뷰] Discovery of the topological surface state in a noncentrosymmetric superconductor BiPd

Madhab Neupane, Nasser Alidoust외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 13.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)을 이용해 비중심대칭 초전도체 BiPd에서 처음으로 위상적 표면 상태를 실험적으로 발견했다. 표면 상태는 패전 에너지 수준에서 약 700 meV 아래에 위치한 디랙점과 함께 나타나며, Bi 6p와 Pd 4p 상태 간의 밴드 역전에 기인한다. 이는 제1원리 계산에 의해 확인되었으며, 반대칭성이 없는 조건에서 BiPd가 위상적 절연체로 작용함을 입증한다. 그러나 패전 에너지 수준 근처에서 위상적 표면 상태가 관찰되지 않음으로써, 본래 상태에서의 위상적 초전도성은 배제된다.

ABSTRACT

Recently, noncentrosymmetric superconductor BiPd has attracted considerable research interest due to the possibility of being a topological superconductor. Here, we report a systematic high-resolution angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of the normal state electronic properties of BiPd. Our experimental results show the presence of a surface state at higher binding energy with the location of Dirac point at around 700 meV below the Fermi level. The detailed photon energy and temperature dependent measurements complemented by our first-principles calculations provide further evidence for the presence of the topological surface state at high binding energy. The absence of topological surface states near the Fermi level negates the possibility of the topological superconducting behavior in the surface of this material. Our first direct experimental discovery of a topological surface state in BiPd provides novel information that will guide the future search for topological superconductivity in noncentrosymmetric materials.

연구 동기 및 목표

• 비중심대칭 초전도체인 BiPd가 위상적 표면 상태를 갖는지 여부를 규명함으로써, 위상적 초전도성을 가능하게 할 수 있는지 확인하는 것.
• 특히 위상적 표면 상태의 존재 여부에 대한 오랫동안 놓인 의문을 해결하기 위해 BiP5d의 전자 구조에 대한 명확한 해석을 제공하는 것.
• 금속성 시스템에서 스핀-오비트 결합, 반대칭성의 부재와 위상적 표면 상태 간의 직접적인 실험적 연관성을 확립하는 것.
• 비정상 상태의 전자 구조를 규명함으로써 향후 비중심대칭 물질에서 위상적 초전도성 탐색의 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES) 측정은 ALS 비임브라인 10.0.1 및 SSRL 비임브라인 5-4에서 수행되었으며, 에너지 해상도는 20 meV 이하, 각도 해상도는 0.2° 이하였다.
• BiPd 단일결정을 현장에서 깨뜨리는 방식으로 표면를 준비하였으며, 초고진공 조건(10⁻¹⁰ 토르 이하)에서 10 K ~ 80 K 온도 범위에서 수행되어 표면 품질을 유지하였다.
• 제1원리 계산은 일반화된 기울기 근사(GGA) 내에서 프rojector augmented-wave 방법을 사용하였으며, 스핀-오비트 결합을 자성상수로 포함하였다.
• 표면 효과를 시뮬레이션하기 위해 (010) 표면의 1×5×1 초세포 모델을 사용하였으며, 진공 두께는 20 Å 이상 확보하였다.
• 광자 에너지 및 온도 의존성 ARPES 측정을 통해 표면 상태의 운동량 및 에너지 분산 특성을 확인하였다.
• 이론적 분석은 Bi 6p와 Pd 4p 상태 간의 밴드 역전과 표면 상태의 스핀 분포를 중심으로 이루어져 위상적 기원을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제1원리 계산에 의해 예측된 바와 같이, 비중심대칭 초전도체 BiPd는 위상적 표면 상태를 갖는가?
• RQ2 표면 상태의 디랙점은 패전 에너지 수준에 비해 에너지적으로 어디에 위치해 있으며, 스핀 분포가 있는가?
• RQ3 ARPES 측정을 통해 BiPd에서 위상적 표면 상태와 비위상적 표면 상태를 구별할 수 있는가?
• RQ4 강한 스핀-오비트 결합이 존재하는 바에도 불구하고, 패전 에너지 수준 근처에서 위상적 표면 상태의 증거가 없는 이유는 무엇인가?
• RQ5 전기적 게이팅 또는 표면 도핑을 통해 패전 에너지 수준를 조절하면 BiPd에서 위상적 초전도성이 유도될 수 있는가?

주요 결과

• BiPd에서 실험적으로 위상적 표면 상태가 발견되었으며, 이의 디랙점은 패전 에너지 수준에서 약 700 meV 아래에 위치해 있다.
• 표면 상태는 Bi 6p와 Pd 4p 상태 간의 밴드 역전에 기인하며, 제1원리 계산에 의해 확인되었다.
• 표면 상태는 나선형 스핀 분포를 보이며, 이는 위상적 기원에 대한 강력한 증거이다.
• 패전 에너지 수준 근처에서 위상적 표면 상태가 관찰되지 않음으로써, BiPd의 본래 표면 상태에서의 위상적 초전도성은 배제된다.
• 반대칭성이 없는 조건에서 이 시스템은 위상적 절연체로 작용하며, 전자 밴드의 역전에 의해 기존의 위상적 절연체와 구별된다.
• 결과적으로 전기적 게이팅 또는 표면 도핑을 통한 패전 에너지 수준 조절이 BiPd에서 위상적 초전도성을 가능하게 할 수 있음을 시사한다.