[논문 리뷰] Observation of a bulk 3D Dirac multiplet, Lifshitz transition, and nestled spin states in Na3Bi

Su‐Yang Xu, Chang Liu외 21명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 34인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 Na3Bi에서 부피 3D 디랙 다중구조의 첫 번째 실험적 관측을 제시하며, 동역학 공간에서의 리프시츠 전이와 중첩된 스핀-편광 표면 상태를 드러낸다. 비자연스러운 (100) 분열면에서 고해상도 스핀 및 각도 분 giải 광전자 방사 분석을 통해 저자들은 감마 점 주변에 대칭적으로 위치한 두 개의 부피 디랙 노드를 확인하였으며, 피어미 표면의 위상 전이 및 이들의 사이에 끼어 있는 나선형 표면 상태의 증거를 제시하여, 상호작용하는 디랙 물리학과 토폴로지적 양자 현상 연구의 새로운 길을 열었다.

ABSTRACT

Symmetry or topology protected Dirac fermion states in two and three dimensions constitute novel quantum systems that exhibit exotic physical phenomena. However, none of the studied spin-orbit materials are suitable for realizing bulk multiplet Dirac states for the exploration of interacting Dirac physics. Here we present experimental evidence, for the first time, that the compound Na3Bi hosts a bulk spin-orbit Dirac multiplet and their interaction or overlap leads to a Lifshitz transition in momentum space - a condition for realizing interactions involving Dirac states. By carefully preparing the samples at a non-natural-cleavage (100) crystalline surface, we uncover many novel electronic and spin properties in Na3Bi by utilizing high resolution angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy measurements. We observe two bulk 3D Dirac nodes that locate on the opposite sides of the bulk zone center point $Γ$, which exhibit a Fermi surface Lifshitz transition and a saddle point singularity. Furthermore, our data shows evidence for the possible existence of theoretically predicted weak 2D nontrivial spin-orbit surface state with helical spin polarization that are nestled between the two bulk Dirac cones, consistent with the theoretically calculated (100) surface-arc-modes. Our main experimental observation of a rich multiplet of Dirac structure and the Lifshitz transition opens the door for inducing electronic instabilities and correlated physical phenomena in Na3Bi, and paves the way for the engineering of novel topological states using Na3Bi predicted in recent theory.

연구 동기 및 목표

• Na3Bi에서 대칭 보호 디랙 노드를 가질 것으로 예측된 부피 3D 디랙 페르미온 상태를 규명하고 특성화하는 것.
• 자연스럽지 않은 (100) 분열면에서의 표면 상태의 전자적 및 스핀 텍스처를 조사하여, (001) 표면에서는 보이지 않는 부피 디랙 노드에 접근할 수 있도록 하는 것.
• 부피 디랙 다중구조의 오버랩 또는 상호작용으로 인해 피어미 표면 위상 구조에서 리프시츠 전이가 존재하는지 탐구하는 것.
• 이론적으로 예측된 약한 스핀-오비탈 결합을 가진 비자명한 2차원 표면 상태와 나선형 스핀 편광이 존재하는지 탐색하는 것.
• 조절을 통해 상호작용하는 디랙 물리학, 토폴로지적 초전도성 및 와일 세미메탈 상태를 탐색할 수 있는 플랫폼으로 Na3Bi를 확립하는 것.

제안 방법

• 고해상도 스핀 및 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)은 스웨덴 MAX-lab의 I4 빔라인과 일본 HiSOR의 BL9B 빔라인에서 He-Iα 방사선(21.21 eV)을 사용하여 수행되었으며, 최신 기술의 VLEED 스핀 검출기를 활용하였다.
• 초저농도 산소 및 수증기 농도(<1 ppm)를 갖는 아르곤 충전 장갑장치를 사용하여 (100) 표면에서 현장 내에서 표본을 분열시켰으며, 이는 표본의 무결성을 보장하였다.
• 모든 세 가지 스핀 성분을 동시에 측정함으로써 에너지 해상도 <80 meV, 동역학 해상도 <표면 BZ의 3% 수준의 고정밀 스핀 분해 ARPES를 실현하였다.
• VASP 소프트웨어를 사용한 제1원리 계산을 수행하였으며, GGA 및 스핀-오비탈 결합 효과를 고려한 14×1×1 및 1×1×7 초세포를 사용하여 (100) 및 (001) 표면 종결을 모델링하였다.
• 실험적 피어미 표면 지도와 표면 브애브리우앙 존 형태를 사용하여 분열면을 확인하였으며, 직사각형 BZ당 두 개의 디랙 노드는 (100) 표면임을 확인하였다.
• 열적 확산을 최소화하고 8시간 동안의 안정성을 확보하기 위해 10–20 K에서 측정를 수행하였다. charging 효과는 관찰되지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Na3Bi는 동역학 공간에서 감마 점 주변에 대칭적으로 위치한 두 개의 노드를 가진 부피 3D 디랙 다중구조를 갖는가?
• RQ2 부피 디랙 노드의 상호작용 또는 오버랩으로 인해 피어미 표면 위상 구조에서 리프시츠 전이가 관찰되는가?
• RQ3 이론적으로 예측된 (100) 표면 아크 모드에 따라 두 개의 부피 디랙 콘 사이에 끼어 있는 나선형 스핀 편광을 가진 비자명한 2차원 표면 상태가 존재하는가?
• RQ4 표면 상태의 스핀 텍스처가 실험적으로 해상되고 부피 디랙 기하학과 상관관계를 가지는가?
• RQ5 (100) 표면 종결이 부피 디랙 다중구조에 접근하고 토폴로지 전이 관측을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• (100) 분열면에서 Na3Bi는 감마 점의 양쪽에 대칭적으로 위치한 두 개의 부피 3D 디랙 노드를 노출하여, 부피 디랙 다중구조 존재를 확인하였다.
• 피어미 표면 위상에서 리프시츠 전이가 관찰되었으며, 이는 경계점 특이성으로 표시되어, 표면 시트의 융합 또는 분리로 인한 위상 변화를 나타낸다.
• 스핀 분해 ARPES 측정 결과, 두 개의 부피 디랙 콘 사이에 끼어 있는 나선형 스핀 편광 표면 상태의 증거를 확인하였으며, 이는 (100) 표면 아크 모드에 대한 이론 예측과 일치한다.
• 표면 상태는 비자명한 스핀 텍스처를 나타내며, 전자가 일정 에너지 등고선을 따라 감싸는 방식으로 움직이며, 이는 토폴로지적으로 보호된 성질을 나타낸다.
• 실험적 피어미 표면 지도는 (100) 표면 종결임을 확인하였으며, 직사각형 표면 브애브리우앙 존 당 두 개의 디랙 노드가 존재함을 보여주며, (001) 표면는 단 하나의 노드만 나타내는 것과 대조된다.
• 충전 효과는 관찰되지 않았으며, 초고진공 조건에서 표본은 최대 8시간 동안 안정성을 유지하여 현장 내 분열 표면의 품질과 무결성을 확인하였다.