[논문 리뷰] Observation of surface states derived from topological Fermi arcs in the Weyl semimetal NbP

Ilya Belopolski, Su‐Yang Xu외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 각도 분 giải 광전자 방사 분석(ARPES)과 백터-시작 계산을 사용하여, 약한 스핀 궤도 결합과 낮은 페르미 수준으로 인해 분명한 페르미 호가 관측되지 않음에도 불구하고 NbP가 와일 보존금속임을 밝힌다. 저자들은 곡절진 분산과 결합 에너지에 따른 방향성 분산을 기반으로 한 새로운 페르미 호 식별 기준을 제안하며, 페르미 수준을 20 meV 이상 높이면 NbP 및 유사한 물질에서 위상적 표면 상태를 직접 관측할 수 있을 것으로 예측한다.

ABSTRACT

The recent experimental discovery of a Weyl semimetal in TaAs provides the first observation of a Weyl fermion in nature and demonstrates a novel type of anomalous surface state band structure, consisting of Fermi arcs. So far, work has focused on Weyl semimetals with strong spin-orbit coupling (SOC). However, Weyl semimetals with weak SOC may allow tunable spin-splitting for device applications and may exhibit a crossover to a spinless topological phase, such as a Dirac line semimetal in the case of spinless TaAs. NbP, isostructural to TaAs, may realize the first Weyl semimetal in the limit of weak SOC. Here we study the surface states of NbP by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and we find that we $ extit{cannot}$ show Fermi arcs based on our experimental data alone. We present an $ extit{ab initio}$ calculation of the surface states of NbP and we find that the Weyl points are too close and the Fermi level is too low to show Fermi arcs either by (1) directly measuring an arc or (2) counting chiralities of edge modes on a closed path. Nonetheless, the excellent agreement between our experimental data and numerical calculations suggests that NbP is a Weyl semimetal, consistent with TaAs, and that we observe trivial surface states which evolve continuously from the topological Fermi arcs above the Fermi level. Based on these results, we propose a slightly different criterion for a Fermi arc which, unlike (1) and (2) above, does not require us to resolve Weyl points or the spin splitting of surface states. We propose that raising the Fermi level by $> 20$ meV would make it possible to observe a Fermi arc using this criterion in NbP. Our work offers insight into Weyl semimetals with weak spin-orbit coupling, as well as the crossover from the spinful topological Weyl semimetal to the spinless topological Dirac line semimetal.

연구 동기 및 목표

• 약한 스핀 궤도 결합을 가진 와일 보존금속인 NbP의 표면 상태를 각도 분해 광전자 방출 분석(ARPES)을 통해 연구하기.
• 낮은 페르미 수준과 작은 Weyl 점 간격으로 인해 NbP에서 위상적 페르미 호를 실험적으로 관측할 수 있는지 확인하기.
• Weyl 점이나 스핀 분리 상태를 분해하지 않아도 되는 새로운 실험 기준을 제안하여 페르미 호를 식별하기.
• NbP에서 비위상적 표면 상태가 페르미 수준 이상에서 어떻게 위상적 페르미 호로 진화하는지 탐색하기.
• NbP의 표면 상태 구조를 TaAs와 비교하여 스핀 궤도 결합 강도와 Weyl 점 간격의 영향을 부각하기.

제안 방법

• SSRL 및 SIS 빔라인에서 NbP의 (001) 표면에서 고해상도 ARPES 측정을 수행하여 표면 상태의 분산을 맵핑하기.
• 실험적 ARPES 데이터와 비교하고 시스템의 위상적 성질을 검증하기 위해 NbP의 표면 상태에 대한 백터-시작 계산을 수행하기.
• 특히 락킷과 페anut 포켓의 표면 상태 분산을 분석하여 혼성화 및 오비탈 특성의 차이를 평가하기.
• 약 0.2 eV 결합 에너지에서 관측된 곡절진 분산과 방향성 분산 경향을 새로운 페르미 호 식별 기준으로 활용하기.
• 폐쇄되지 않은 페르미 표면 윤곽선이 결합 에너지가 증가함에 따라 한 방향으로 분산되는 것을 기반으로 수정된 위상 기준을 적용하기.
• NbP와 TaAs의 표면 상태 밴드 구조를 비교하여 스핀 궤도 결합과 Weyl 점 간격이 페르미 호의 가시성에 미치는 영향을 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 스핀 궤도 결합과 낮은 페르미 수준으로 인해 NbP에서 위상적 페르미 호를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 NbP에서 비위상적 표면 상태와 위상적 페르미 호 사이의 관계는 무엇이며, 이들은 결합 에너지에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 Weyl 점이나 스핀 분리 상태를 분해하지 않아도 되는 새로운 실험 기준을 통해 페르미 호를 식별할 수 있는가?
• RQ4 NbP의 표면 상태 구조는 TaAs와 어떻게 다를까? 스핀 궤도 결합은 이러한 차이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 NbP에서 위상적 페르미 호를 관측하기 위해 필요한 조건은 무엇이며, 페르미 수준 조절은 이에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• NbP에 대한 ARPES 측정 결과, 낮은 페르미 수준과 작은 Weyl 점 간격으로 인해 페르미 호에 대한 직접적 증거가 없었다.
• 백터-시작 계산은 관측된 NbP의 표면 상태가 위상적 와일 보존금속 상태와 일치함을 확인하였으며, 비위상적 표면 상태가 페르미 수준 이상에서 연속적으로 위상적 페르미 호로 진화함을 입증하였다.
• 새로운 페르미 호 식별 기준을 제안함: Weyl 점이나 스핀 분리 상태를 분해하지 않아도 되는, 결합 에너지가 증가함에 따라 한 방향으로 분산되는 곡절진 분산.
• 페르미 수준을 20 meV 이상 높이면 이 새로운 기준을 사용해 NbP에서 페르미 호를 관측할 수 있을 것으로 예측된다.
• NbP의 락킷과 페anut 표면 포켓은 서로 다른 오비탈 특성(면내 및 면외 d 및 p 오비탈)으로 인해 혼성화되지 않으며, 이는 (001) 표면의 C₂ 대칭성과 관련이 있다.
• NbP의 뚜렷한 표면 상태 구조는 표면의 궤도가 모두 점령되어 있기 때문에 진공 자외선 ARPES에서 부스러기 밴드 구조가 가려질 수 있음을 설명할 수 있다.