[논문 리뷰] Discovery of Weyl semimetal state violating Lorentz invariance in MoTe2

Nan Xu, Z. J. Wang외 17명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 07.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 48인용 수 51

한 줄 요약

이 연구는 MoTe2가 기울어진 Weyl 노드로 인해 로렌츠 대칭을 위반하는 경향이 있는 새로운 상태인 타입 II 와일 보울 밴드로 확인된다. 역방향 분광법을 통해 저자들은 단일 토폴로지 전하를 가진 Weyl 노드 쌍을 연결하는 페르미 궤적 표면 상태를 직접 관측하였으며, 이는 최초의 원리 계산을 검증하고 MoTe2를 로렌츠 대칭을 위반하는 와일 페르미온을 연구할 수 있는 플랫폼으로 확립한다.

ABSTRACT

A new type of Weyl semimetal state, in which the energy values of Weyl nodes are not the local extrema, has been theoretically proposed recently, namely type II Weyl semimetal. Distinguished from type I semimetal (e.g. TaAs), the Fermi surfaces in a type II Weyl semimetal consist of a pair of electron and hole pockets touching at the Weyl node. In addition, Weyl fermions in type II Weyl semimetals violate Lorentz invariance. Due to these qualitative differences distinct spectroscopy and magnetotransport properties are expected in type II Weyl semimetals. Here, we present the direct observation of the Fermi arc states in MoTe2 by using angle resolved photoemission spectroscopy. Two arc states are identified for each pair of Weyl nodes whoes surface projections of them possess single topological charge, which is a unique property for type II Weyl semimetals. The experimentally determined Fermi arcs are consistent with our first principle calculations. Our results unambiguously establish that MoTe2 is a type II Weyl semimetal, which serves as a great test bed to investigate the phenomena of new type of Weyl fermions with Lorentz invariance violated.

연구 동기 및 목표

• MoTe2에서 로렌츠 대칭 위반을 특징으로 하는 새로운 타입 II 와일 반도체 상태의 존재를 규명하고 확인하는 것.
• 기울어진 Weyl 노드를 가진 와일 반도체에서 페르미 궤적 표면 상태의 이론적 예측을 실험적으로 검증하는 것.
• 와일 페르미온의 로렌츠 대칭을 위반하는 특성을 연구할 수 있는 강력한 플랫폼으로 MoTe2를 확립하는 것.
• 실험적 관측 결과를 최초 원리 계산과 비교하여 와일 상태의 토폴로지적 성질을 검증하는 것.

제안 방법

• MoTe2의 브라라운 영역 전역에서 전자 밴드 구조를 맵핑하기 위해 각도에 의존하는 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용하였다.
• Weyl 노드를 연결하는 페르미 궤적 상태의 존재와 토폴로지적 성질을 분석하기 위해 표면 상태 분산을 분석하였다.
• 밀도 함수 이론에 기반한 최초 원리 계산을 수행하여 밴드 구조와 Weyl 노드 위치를 모델링하였다.
• Weyl 노드의 표면 투영을 맵핑하고, 각 페르미 궤적 상태당 단일 토폴로지 전하를 확인하기 위해 그 전하를 결정하였다.
• 기울어진 와일 페르미온 모델의 관점에서 자성 및 전도도 데이터를 해석하여 로렌츠 위반 정도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoTe2는 로렌츠 대칭 위반을 특징으로 하는 타입 II 와일 반도체 상태를 갖는가?
• RQ2 Weyl 노드를 단일 토폴로지 전하를 가진 쌍으로 연결하는 토폴로지적으로 보호된 페르미 궤적 표면 상태가 존재하는가?
• RQ3 실험적으로 관측된 페르미 궤적은 최초 원리 계산의 예측과 일치하는가?
• RQ4 ARPES 측정을 통해 타입 II와 타입 I 와일 반도체를 페르미 표면 구조의 관점에서 명확히 구별할 수 있는가?

주요 결과

• ARPES 측정을 통해 MoTe2에서 두 개의 구분되는 페르미 궤적 표면 상태를 직접 관측하였으며, 각각 단일 토폴로지 전하를 가진 Weyl 노드 쌍을 연결하였다.
• 관측된 페르미 궤적은 최초 원리 계산과 일치하여 타입 II 와일 반도체의 이론적 예측이 확인되었다.
• MoTe2의 Weyl 노드는 기울어져 있음이 확인되어, 타입 II 와일 페르미온의 상징적인 특징인 로렌츠 대칭 위반이 발생함을 입증하였다.
• MoTe2의 페르미 표면은 전자 및 정공 풍선이 Weyl 노드에서 접촉하는 것으로 구성되어 있어, 타입 II 분류가 확인되었다.
• 표면 상태는 기존의 타입 I 와일 반도체인 TaAs에서는 관측되지 않은 고유한 토폴로지적 구조를 나타내었다.