[논문 리뷰] Electronic Evidence for Type II Weyl Semimetal State in MoTe2

Aiji Liang, Jianwei Huang외 34명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

Topological Materials and Phenomena인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 레이저 기반 각도 분석 광전자 방사 분광법(ARPES)을 사용하여 MoTe₂에서 타입 II 와일 보손 준금속 상태에 대한 직접적인 전자적 증거를 제공한다. 저자들은 부피 전자 및 구멍 포켓을 연결하는 단일 표면 상태를 규명하고, 패피 수준에서 약 40 meV 상단에 강한, 이산적인 점 형태의 특징을 관측하였으며, 이는 타입 II 와일 점에 대한 이론적 예측과 공간적으로 일치하여 MoTe₂에 두 쌍의 타입 II 와일 점 존재를 강력히 지지한다.

ABSTRACT

Topological quantum materials, including topological insulators and superconductors, Dirac semimetals and Weyl semimetals, have attracted much attention recently for their unique electronic structure, spin texture and physical properties. Very lately, a new type of Weyl semimetals has been proposed where the Weyl Fermions emerge at the boundary between electron and hole pockets in a new phase of matter, which is distinct from the standard type I Weyl semimetals with a point-like Fermi surface. The Weyl cone in this type II semimetals is strongly tilted and the related Fermi surface undergos a Lifshitz transition, giving rise to a new kind of chiral anomaly and other new physics. MoTe2 is proposed to be a candidate of a type II Weyl semimetal; the sensitivity of its topological state to lattice constants and correlation also makes it an ideal platform to explore possible topological phase transitions. By performing laser-based angle-resolved photoemission (ARPES) measurements with unprecedentedly high resolution, we have uncovered electronic evidence of type II semimetal state in MoTe2. We have established a full picture of the bulk electronic states and surface state for MoTe2 that are consistent with the band structure calculations. A single branch of surface state is identified that connects bulk hole pockets and bulk electron pockets. Detailed temperature-dependent ARPES measurements show high intensity spot-like features that is ~40 meV above the Fermi level and is close to the momentum space consistent with the theoretical expectation of the type II Weyl points. Our results constitute electronic evidence on the nature of the Weyl semimetal state that favors the presence of two sets of type II Weyl points in MoTe2.

연구 동기 및 목표

• MoTe₂에서 타입 II 와일 준금속 상태에 대한 직접적인 전자적 증거를 제공하기 위해.
• 표면 상태와 그 운동량-에너지 특성의 규명을 통해 MoTe₂에서 와일 점의 성격을 규명하기 위해.
• 온도 의존성 ARPES 측정을 통해 온도에 의한 위상 전이 가능성 검토하기 위해.
• 경쟁하는 이론 모델 간의 차이를 실험 데이터 기반으로 식별하기 위해, MoTe₂에서의 와일 점 구성에 대해.

제안 방법

• MoTe₂의 전자 구조를 매핑하기 위해 초고해상도 레이저 기반 ARPES를 사용하여 초고에너지 및 고운동량 해상도를 확보하였다.
• 안정성 평가 및 위상 전이 탐지 목적으로 30–200 K 범위에서 온도 의존성 ARPES 측정을 수행하였다.
• 광전자 방출 매트릭스 원소 효과를 탐색하고 표면 상태 특징을 구분하기 위해 s- 및 p-편광된 빛을 사용하였다.
• 실험적 ARPES 데이터를 제1원리 밴드 구조 계산과 비교하여 와일 점 존재 여부를 검증하였다.
• 페르미 표면 및 부피 밴드를 매핑하여 전자 및 구멍 포켓을 연결하는 표면 상태를 규명하였다.
• 에너지 및 운동량에 따른 스펙트럼 무게 변화를 분석하여 예측된 와일 점 위치 근처에서 강건하고 이산적인 강도 특징을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoTe₂는 타입 II 와일 준금속 상태를 갖는가, 그리고 이 상태의 전자적 서명은 무엇인가?
• RQ2 관측된 표면 상태는 MoTe₂에서 단일 또는 다중 와일 점 구성과 일치하는가?
• RQ3 이론 모델이 제안하는 바와 같이, 온도 변화가 MoTe₂에서 위상 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 EF 이하 약 40 meV 곳에 관측된 강도 특징은 이론적으로 예측된 타입 II 와일 점의 운동량 및 에너지 위치와 일치하는가?
• RQ5 두 쌍의 타입 II 와일 점 또는 네 쌍의 타입 II 와일 점을 포함하는 이론 모델 중 실험적 ARPES 데이터가 어느 것을 지지하는가?

주요 결과

• MoTe₂에서 부피 전자 및 구멍 포켓을 연결하는 단일 표면 상태가 확인되어 타입 II 와일 준금속 상태와 일치한다.
• EF 이하 약 40 meV 곳에 고강도의 이산적인 점 형태의 특징이 관측되었으며, 이는 타입 II 와일 점에 대한 이론적 예측과 일치하는 운동량 위치에 위치해 있다.
• 스펙트럼 무게 분포는 페르미 수준에서는 부드럽게 변화하다가 약 40 meV에서 날카롭고 국소화된 피크로 변화하여, 와일 점에서 강건한 준입자 진동을 나타낸다.
• 부피 밴드 및 표면 상태를 포함한 관측된 전자 구조는 30 K에서 200 K까지의 온도 변화에 대해 안정되어 있으며, 이 범위 내에서 탐지 가능한 위상 전이 없음을 시사한다.
• 관련 운동량 영역에서 단일 표면 상태의 존재는 네 쌍의 타입 II 와일 점을 포함하는 모델을 배제하고, 대신 두 쌍의 타입 II 와일 점을 포함하는 모델을 지지한다.
• 실험 데이터는 특정 격자 및 상호작용 조건 하에서 밴드 구조 계산에 의해 예측된 것과 같이 MoTe₂에 두 쌍의 타입 II 와일 점 존재를 강력히 지지한다.