[논문 리뷰] MoTe2: Weyl and Line Node Topological Metal

Zhijun Wang, Dominik Gresch외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저온 정방형 상에서 MoTe2가 에너지 준위 근처에 타입-II 와일 포인트와 거울 대칭성에 의해 보호되는 노dal 라인을 모두 지닌다. 이는 복잡한 위상학적 준금속 상태를 가능하게 한다. 밀도함수 이론 계산을 통해 압력에 의한 위상학적 전이가 발생하며, 외부 압력이 없을 경우 시간역전 대칭성과 일치하는 최소한의 관측 가능한 표면 페르미 궤적 두 개를 나타낸다.

ABSTRACT

Topological metals exhibit unremovable degeneracies in the band structure close to the Fermi level. These degeneracies can come in many types, the most basic of which are point (Weyl) and line nodes, and are associated with a wide range of phenomena from chiral anomalies to Fermi arcs. Here we show that MoTe2, in its low-temperature orthorhombic structure, realizes both type-II Weyl points and nodal lines close to the Fermi level, in a complex topological band structure. The Weyl nodes occur between several different bands, and the nodal lines are protected by mirror symmetry. We present an X-ray diffraction study of this new orthorhombic phase of MoTe2 taken at 100 K, and experimentally determine its lattice parameters. Using this input in ab initio and topological calculations, we predict a series of strain-driven topological phase transitions in this compound, opening a wide range of possible experimental realizations of different topological semimetal phases. Crucially, with no strain, the number of observable surface Fermi arcs in this material is 2 - the smallest number of arcs consistent with time-reversal symmetry.

연구 동기 및 목표

• 저온 정방형 상에서 MoTe2의 위상학적 전자 상태를 규명하고 특성화하는 것.
• 대칭성과 압력이 와일 포인트와 노달 라인을 안정화시키는 역할을 규명하는 것.
• MoTe2에서 압력에 의한 위상학적 전이를 예측하는 것.
• 이 시스템에서 시간역전 대칭성과 일치하는 최소 관측 가능한 표면 페르미 궤적의 수를 규명하는 것.

제안 방법

• MoTe2의 정방형 상의 격자 상수를 측정하기 위해 100 K에서 X선 회절을 수행하였다.
• 실험적으로 결정된 격자 상수를 사용하여 밀도함수 이론 기반 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 위상학적 불변량과 밴드 구조 분석을 적용하여 와일 포인트와 노달 라인을 식별하였다.
• 대칭성 분석을 통해 노달 라인이 거울 대칭성에 의해 보호됨을 확인하였다.
• 압력 공학을 모델링하여 위상학적 전이를 예측하였다.
• 시간역전 대칭성 조건 하에서 표면 페르미 궤적 수를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온 정방형 상에서 MoTe2의 에너지 준위 근처에 어떤 위상학적 상태가 존재하는가?
• RQ2 MoTe2의 와일 포인트와 노달 라인은 대칭성과 전자 구조에 의해 어떻게 안정화되는가?
• RQ3 압력은 MoTe2의 위상학적 상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시간역전 대칭성 하에서 MoTe2에서 관측 가능한 표면 페르미 궤적의 최소 수는 얼마인가?
• RQ5 압력은 MoTe2에서 위상학적 전이를 유도할 수 있는가? 이는 조절 가능한 위상학적 준금속 상을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 저온 정방형 상에서 MoTe2는 에너지 준위 근처에 타입-II 와일 포인트와 거울 대칭성에 의해 보호되는 노달 라인을 모두 지닌다.
• 와일 포인트는 여러 밴드 간의 상호작용에 의해 형성되어 복잡한 밴드 연결성을 나타낸다.
• MoTe2의 노달 라인은 거울 대칭성에 의해 위상학적으로 보호된다.
• 압력 공학을 통해 MoTe2에서 다수의 위상학적 전이를 유도할 수 있으며, 이는 다양한 위상학적 준금속 상에의 접근을 가능하게 한다.
• 압력이 없을 경우 MoTe2는 정확히 두 개의 관측 가능한 표면 페르미 궤적을 지니며, 이는 시간역전 대칭성과 일치하는 최소 수이다.
• 100 K에서 측정한 실험적 격자 상수는 밀도함수 이론 및 위상학적 분석에 신뢰할 수 있는 입력 자료를 제공한다.