[논문 리뷰] Observation of multiple Dirac states in a magnetic topological material EuMg2Bi2

Firoza Kabir, M. Mofazzel Hosen외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 18.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 각도 분석형 광전자 방사 분광법(ARPES)과 밀도 함수 이론 계산을 통해 내재된 자기적 위상 물질 EuMg2Bi2에서 다수의 디랙 상태를 규명하였다. 브릴루앙 영역의 Γ 및 K 점에서 두 개의 구분되는 디랙 원뿔을 발견하였으며, 디랙 노드는 각각 피에르 수준 이하 375 meV 및 340 meV에 위치해 있어, 자기성과 비자명한 위상학적 성질 간의 상호작용을 고순도 계에서 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하였다.

ABSTRACT

Initiated by the discovery of topological insulators, topologically non-trivial materials, more specifically topological semimetals and metals have emerged as new frontiers in the field of quantum materials. In this work, we perform a systematic measurement of EuMg2Bi2, a compound with antiferromagnetic transition temperature at 6.7 K, observed via electrical resistivity, magnetization and specific heat capacity measurements. By utilizing angle-resolved photoemission spectroscopy in concurrence with first-principles calculations, we observe Dirac cones at the corner and the zone center of the Brillouin zone. From our experimental data, multiple Dirac states at G and K points are observed, where the Dirac nodes are located at different energy positions from the Fermi level. Our experimental investigations of detailed electronic structure as well as transport measurements of EuMg2Bi2 suggest that it could potentially provide a platform to study the interplay between topology and magnetism.

연구 동기 및 목표

• 6.7 K에서 반자성 질서를 나타내는 내재된 자기적 위상 물질 EuMg2Bi2의 전자 구조를 조사하기 위해.
• 이 물질이 고순도 화합물에서 비자명한 위상학적 성질과 자기성을 동시에 가질 수 있다는 잠재력을 감안할 때, 이 시스템에 다수의 디랙 상태가 존재하는지 확인하기 위해.
• 일般적으로 도핑된 위상 물질에서 흔히 발생하는 자기 불순물의 영향을 받지 않는 시스템에서 위상학과 자기성 간의 상호작용을 탐색하기 위해.
• 유Mg2Bi2를 양자 이상 홀 효과 및 아크시온 절연체 상태와 같은 위상적 양자 현상을 연구할 수 있는 견고한 플랫폼으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 각도 분석형 광전자 방사 분광법(ARPES)은 ALS 빔라인 10.0.1에서 수행되었으며, 에너지 해상도 <20 meV 및 각도 해상도 <0.2°를 갖는 Scienta R4000 반구형 전자 분석기를 사용하였다.
• 15 K에서 초고진공(5×10⁻¹¹ Torr) 조건 하에서의 현장 내 표면 절단을 통해 표면 안정성과 20시간 이상 지속 가능한 고품질 측정이 확보되었다.
• 첫 번째 원리 전자 구조 계산은 PBE 함수를 사용하고 스핀-오비탈 결합을 고려하며, 국소화된 Eu 4f 전자에 대해 효과적 U=11.0 eV를 적용하여 VASP를 사용해 수행하였다.
• X선 회절 및 에너지 분산형 X선 분석은 단일 결정의 결정 구조와 화학 조성을 확인하는 데 사용되었다.
• 전기적 저항도, 열용량, 자화율 측정을 포함한 운반 및 열역학적 측정은 최대 9 T의 자기장을 갖는 Quantum Design PPMS 시스템을 사용해 수행되었다.
• DFT 계산에서는 수렴성과 정확도를 확보하기 위해 9×9×3 Monkhorst-Pack k-점 메쉬와 520 eV의 운동 에너지 컷오프를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 자기적 위상 물질 EuMg2Bi2에서 다수의 디랙 상태가 존재하는가? 만약 존재한다면, 운동량 공간에서 어디에 위치해 있는가?
• RQ2 디랙 노드의 에너지 위치는 피에르 수준에 비해 어떻게 되며, Γ 및 K와 같은 고대칭 점 간에 어떤 차이를 보이는가?
• RQ3 6.7 K에서의 반자기 질서 존재가 디랙 상태의 전자 구조와 위상학적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 디랙 페르미온이 피에르 수준에 근접해 있으므로, 화학 도핑 또는 전기적 게이팅을 통해 조절 가능할까?
• RQ5 피에르 수준 이하 약 4.5 eV에 위치한 f-전자 밴드 구조는 시스템의 위상학적 성질에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고해상도 ARPES 측정을 통해 EuMg2Bi2의 표면 브릴루앙 영역의 Γ 및 K 점에서 다수의 디랙 상태가 실험적으로 관측되었다.
• Γ 점에서의 디랙 노드는 피에르 수준 이하 375 meV에 위치하고 있으며, K 점에서의 노드는 피에르 수준 이하 340 meV에 위치해 있어, 서로 다른 에너지 분산을 나타낸다.
• K 점에서의 디랙 분산은 피에르 수준 근처의 다른 밴드와 잘 분리되어 있어, 상호작용이 최소화되고 위상학적 정밀도가 높다는 것을 시사한다.
• 열용량 및 자화율 측정에서의 비정상성으로 인해 시스템은 명백한 반자기 전이를 6.7 K에서 나타낸다.
• 첫 번째 원리 계산은 ARPES 관측 결과를 지지하며, 스핀-오비탈 결합과 Eu 4f 전자에 대해 U=11.0 eV를 적용한 경우, Γ 및 K 점에서 일관된 디랙 유사 분산을 보여준다.
• 초고진공 조건에서의 고순도 결정 안정성 덕분에 장시간에 걸쳐 반복 가능한 ARPES 데이터를 확보할 수 있었으며, 관측된 디랙 상태의 신뢰성을 확인하였다.