[논문 리뷰] Observation of linearly dispersive edge modes in a magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2

Sean Howard, Lin Jiao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피와 이론적 모델링을 통해 자기성 웨일 반도체 Co3Sn2S2에서 선형적으로 분산되는 양성자 모드를 규명한다. 저자들은 노출된 카그로메 평면에 국한된 하이브리드화된 표면 상태를 특정하여, 보다 높은 온도에서 양자 이상한 홀 효과를 실현하기 위한 견고한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

The physical realization of Chern insulators is of fundamental and practical interest, as they are predicted to host the quantum anomalous Hall effect (QAHE) and topologically protected chiral edge states which can carry dissipationless current. The realization of the QAHE state has however been challenging because of the complex heterostructures and sub-Kelvin temperatures required. Time-reversal symmetry breaking Weyl semimetals, being essentially stacks of Chern insulators with inter-layer coupling, may provide a new platform for the higher temperature realization of robust QAHE edge states. In this work we present a combined scanning tunneling spectroscopy and theoretical investigation of a newly discovered magnetic Weyl semimetal, Co3Sn2S2. Using modeling and numerical simulations we find that chiral edge states can be localized on partially exposed Kagome planes on the surface of a Weyl semimetal. Correspondingly, our STM dI/dV maps on narrow kagome Co3Sn terraces show linearly dispersing quantum well like states, which can be attributed to hybridized chiral edge modes. Our experiment and theory results suggest a new paradigm for studying chiral edge modes in time-reversal breaking Weyl semimetals. More importantly, this work leads a practical route for realizing higher temperature QAHE.

연구 동기 및 목표

• 시간역행 대칭을 위반하는 웨일 반도체에서 위상적으로 보호된 양성자 표면 상태 존재 여부를 조사하기 위해.
• Co3Sn2S2의 표면 카그로메 평면이 내재된 자기적 질서로 인해 견고한 표면 모드를 갖는지 탐색하기 위해.
• 더 높은 온도에서 작동하는 양자 이상한 홀 효과를 가능하게 할 수 있는 양성자 표면 상태에 대한 실험적 및 이론적 증거를 제공하기 위해.
• 복잡한 이종구조나 극저온 조건 없이도 웨일 반도체에서 표면 상태를 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 노출된 카그로메 평면을 가진 원자적으로 평탄한 Co3Sn2S2 테라스에서 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 수행하기 위해.
• 국부 밀도 상태를 dI/dV 맵을 통해 측정하여 패배 에너지 근처의 분산 표면 상태를 식별하기 위해.
• 관측된 전자 구조를 재현하기 위해 타이트 본 모델링 및 수치 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 부분적으로 노출된 카그로메 층에서의 양성자 모드 하이브리드화를 분석하여 선형 분산을 설명하기 위해.
• 대칭성 및 위상 분석을 사용하여 관측된 표면 상태를 웨일 반도체의 부피 위상 구조와 연결하기 위해.
• 실험적 STS 데이터와 시뮬레이션된 표면 상태 분산을 비교하여 모드의 양성자 성격을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co3Sn2S2와 같은 자기성 웨일 반도체에서 양성자 표면 상태를 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ2 Co3Sn2S2 표면의 노출된 카그로메 평면이 위상적 보호로 인해 선형적으로 분산되는 표면 모드를 갖는가?
• RQ3 층 간 결합 및 표면 종결이 표면 상태의 형성과 분산에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 관측된 표면 상태는 인접한 표면 층에서 기인한 양성자 모드의 하이브리드화로 기인하는가?
• RQ5 Co3Sn2S2는 상대적으로 높은 온도에서 양자 이상한 홀 효과를 실현하기 위한 잠재력이 있는가?

주요 결과

• Co3Sn2S2의 좁은 카그로메 테라스에서 dI/dV 맵을 통해 선형적으로 분산되는 표면 모드가 관측되어 위상적으로 보호된 양성자 상태임을 시사한다.
• 표면 상태는 선형 분산 관계를 보이며, 표면 경계를 沿해 전파되는 양성자 페르미온과 일치한다.
• 이론적 모델링은 이러한 모드가 부분적으로 노출된 카그로메 평면에 국한된 양성자 표면 상태의 하이브리드화에서 기인함을 확인한다.
• 관측된 표면 상태는 견고하고 표면에 국한되어 있으며, 측정 영역에서 부피 상태의 하이브리드화 증거가 없음을 보여준다.
• 이 시스템은 시간역행 위반 웨일 반도체의 예측과 일치하는 분산을 갖는 양성자 표면 채널을 지원한다.
• 결과는 복잡한 이종구조 없이도 부피 자기성 웨일 반도체에서 양자 이상한 홀 효과를 실현할 수 있는 실현 가능성을 시사한다.