[논문 리뷰] Evidence of Dirac cones with 3D character probed by dHvA oscillations in nodal-line semimetal ZrSiS

Jin Hu, Zhijie Tang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 52인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 ZrSiS에서 노드 라인 반도체에서의 3차원(3D) 페르미 표면 특성에 대한 첫 번째 직접적 증거를 de Haas–van Alphen (dHvA) 양자 진동을 통해 제시한다. 물질의 선형 노드 디рак 페르미온에 비해 강한 dHvA 진동이 모든 자기장 방향에서 유지되며, 여러 디рак 밴드와 3D 페르미 표면 위상구조를 확인한다. 또한 작은 2차원 페르미 표면 포켓에서 강한 증폭된 자성 스플릿팅을 관측한다.

ABSTRACT

The topological quantum materials, including Dirac and Weyl semimetals, represent a new class of quantum materials with symmetry-protected band touching points. The essential properties of Dirac/Weyl fermions, including light effect mass, high mobility and non-trivial Berry phase, can be revealed by quantum oscillations. Here we present the first systematic de Haas–van Alphen (dHvA) oscillation studies on the recently discovered Dirac line-node semimetal ZrSiS a new type of topological phase of mater with Dirac crossings along a one dimensional line. In contrast with the recently-reported weak Shubnikov-de Haas oscillations which attenuate quickly when the field is rotated close to the ab-plane, the dHvA oscillations in ZrSiS were found to be strong under arbitrary field orientations, enabling us to explore not only the intrinsic properties of Dirac fermions but also the dimensionality of Fermi surface consisting of Dirac line node. Our experiments not only reveal evidence of Dirac fermions from multiple Dirac bands, but also show the Fermi surface enclosing the Dirac nodal line is of three-dimensional character for the first time. Furthermore, we observed surprisingly strong Zeeman splitting in the dHvA oscillations related to a small Fermi surface with a two-dimensional character. These results shed light on the nature of the line-node Dirac state of ZrSiS.

연구 동기 및 목표

• 노드 라인 반도체 ZrSiS의 전자 구조와 페르미 표면 위상구조를 양자 진동 측정을 통해 조사하기 위해.
• ZrSiS에서 디랙 노드 라인과 관련된 페르미 표면의 차원성을 규명하기 위해.
• 고자기장 양자 진동 실험을 통해 ZrSiS의 디랙 페르미온 성질을 탐구하기 위해.
• 다양한 자기장 방향에서의 약한 Shubnikov–de Haas 진동과 강한 dHvA 반응 사이의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 고자기장 하에서 단결정 ZrSiS에 대해 체계적인 de Haas–van Alphen (dHvA) 진동 측정을 수행하였다.
• 결정학적 ab 평면에 대한 자기장 방향을 변화시켜 이방성 페르미 표면 성질을 탐구하였다.
• dHvA 진동 주파수와 위상을 분석하여 페르미 표면의 횡단면 면적과 베리 위상(geometric phase)을 추출하였다.
• dHvA 진동에서 관측된 자성 스플릿팅을 통해 작은 페르미 표면 포켓에서 스핀 스플릿팅과 효과적 g 인자(geometric phase)를 추론하였다.
• 진동 진폭의 각도 의존성을 사용하여 2차원과 3차원 페르미 표면 특성을 구별하였다.
• 관측된 진동 행동을 디랙 노드 라인 시스템에 대한 이론적 예측과 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZrSiS에서 디랙 노드 라인과 관련된 페르미 표면의 차원성은 무엇인가?
• RQ2 ZrSiS의 dHvA 진동은 자기장 방향에 따라 어떻게 변화하며, 이는 페르미 표면 위상구조에 무엇을 드러내는가?
• RQ3 양자 진동 측정을 통해 ZrSiS에 여러 디랙 밴드가 존재하는 증거는 무엇인가?
• RQ4 이전 보고에서 약한 Shubnikov–de Haas 진동이 관측된 바 있음에도 불구하고, 왜 자기장이 ab 평면에 가까이 기울여져도 dHvA 진동이 강하게 유지되는가?
• RQ5 작은 2차원 페르미 표면 포켓의 dHvA 진동에서 관측된 놀라운 강도의 자성 스플릿팅은 무엇에 기인하는가?

주요 결과

• ZrSiS의 dHvA 진동은 모든 자기장 방향에서 강하게 유지되며, 이는 강력한 양자 위상 일관성과 함께 전체 페르미 표면 특성 분석이 가능함을 나타낸다.
• 디랙 노드 라인을 둘러싼 관측된 페르미 표면은 3차원적 특성을 띠며, 노드 라인 반도체에서 3D 위상구조의 첫 번째 직접적 증거를 제공한다.
• 여러 개의 디랙 밴드가 양자 진동에 기여하며, ZrSiS에 하나 이상의 디랙 페르미온 상태 존재를 확인한다.
• 작은 2차원 페르미 표면 포켓과 관련된 dHvA 진동에서 놀랍도록 강한 자성 스플릿팅이 관측되었다.
• 자성 스플릿팅은 상당한 효과적 g 인자를 암시하며, 이는 작은 페르미 표면 포켓에서 강한 스핀 오비탈 결합 또는 고유한 전자 구조를 시사한다.
• 자기장 방향을 변화시켜도 강한 dHvA 신호가 유지됨으로써, 이전에 약한 Shubnikov–de Haas 데이터와의 모순을 해결하였으며, 이 시스템에서 dHvA 측정이 더 뛰어난 신호 대 잡음 비율을 제공함을 시사한다.