[논문 리뷰] Parallel spin-momentum locking in a chiral topological semimetal

Jonas A. Krieger, Samuel Stolz외 24명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 15.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 편향된 위상적 반도체 물질 PtGa의 Γ 점에서 Rarita-Schwinger 다중포탄 페르미온에서 평행 스핀-운동량 고정 현상에 대한 실험적 증거를 스핀 및 각도 분 giải 광전자 방사 분석(ARPES)을 통해 제시한다. 페르미-아크 표면 상태의 관측된 스핀 구조—전자 스핀이 페르미 고리에 수직으로 정렬된 것—은 부피 내 다중포탄 페르미온이 엄격하게 평행 스핀-운동량 고정 현상을 나타내며, 이는 스핀트로닉스 및 상호작용 양자 물질 분야에 중요한 영향을 미치는 오랫동안 이론적으로 예측되었으나 관측되지 않았던 현상임을 확인한다.

ABSTRACT

Spin-momentum locking in solids describes a directional relationship between the electron's spin angular momentum and its linear momentum over the entire Fermi surface. While orthogonal spin-momentum locking, such as Rashba spin-orbit coupling, has been studied for decades and inspired a vast number of applications, its natural counterpart, the purely parallel spin-momentum locking, has remained elusive in experiments. Recently, chiral topological semimetals that host single- and multifold band crossings have been predicted to realize such parallel locking. Here, we use spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy to probe spin-momentum locking of a multifold fermion in the chiral topological semimetal PtGa via the spin-texture of its topological Fermi-arc surface states. We find that the electron spin of the Fermi-arcs points orthogonal to their Fermi surface contour for momenta close to the projection of the bulk multifold fermion, which is consistent with parallel spin-momentum locking of the latter. We anticipate that our discovery of parallel spin-momentum locking of multifold fermions will lead to the integration of chiral topological semimetals in novel spintronic devices, and the search for spin-dependent superconducting and magnetic instabilities in these materials.

연구 동기 및 목표

• 다중포탄 페르미온에서 평행 스핀-운동량 고정 현상이 이론적으로는 예측되었지만 실험적으로 관측되지 않은, 응집물질 시스템에서 오랫동안 이론적으로만 존재해온 현상을 실험적으로 입증하는 것.
• S = 3/2 Rarita-Schwinger 페르미온을 가진 편향된 위상적 반도체 물질 PtGa의 표면 상태에서 스핀 구조를 연구하여 부피 내 스핀-운동량 고정 현상을 탐색하는 데의 지표로 활용하는 것.
• 관측된 스핀 균형이 전자 상태의 내재된 성질인지, 광전자 방출 매트릭스 원소나 실험 기하학의 산물인지 확인하는 것.
• 편향된 물질에서 종단 방향 자기전기 효과 및 비국소 초전도성에 대한 평행 스핀-운동량 고정 현상의 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 60 eV의 원형 편광 빛을 사용하여 PtGa의 (001) 표면에서 스핀 및 각도 분해 광전자 방출 분석(spin-ARPES)을 실시하여 표면 상태의 스핀 구조를 탐측하였다.
• 밀도함수이론(DFT) 기반의 밀도함수이론(ab initio) 계산을 수행하여 다중포탄 페르미온의 3차원 스핀 구조를 계산하고 실험 데이터와 비교하였다.
• 광자 에너지와 빛의 편광을 변화시켜 매트릭스 원소 효과가 관측된 스핀 균형의 근본 원인임을 배제하고, 초기 상태 파동함수에서 기인함을 확인하였다.
• 반대 엔안티모르피 표면에서 스핀 구조를 측정하여 스핀의 허위벡터 변환 행동을 확인함으로써 스핀 구조의 내재성 여부를 검증하였다.
• 고대칭 방향(Γ–R)을 따라 스핀 구조를 매핑하고 고대칭점에서 멀리 떨어진 영역에서 스핀 구조를 분석하여 k·p 근사 이론을 초월한 임계성의 존재 여부를 평가하였다.
• 다양한 운동량 방향에서의 평면 내 스핀 균형 비대칭성을 분석하여 페르미 고리에 대해 스핀의 탄성 정렬 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PtGa의 Rarita-Schwinger 다중포탄 페르미온은 이론적으로 예측된 바와 같이 엄격하게 평행 스핀-운동량 고정 현상을 나타내는가?
• RQ2 PtGa의 표면 페르미-아크 상태의 스핀 구조는 부피 내 다중포탄 페르미온의 스핀-운동량 고정 현상을 정확히 반영하는가?
• RQ3 관측된 스핀 균형은 전자 상태의 내재된 성질인지, 광전자 방출 매트릭스 원소의 산물인가?
• RQ4 고대칭점에서 벗어난 영역에서 k·p 근사 이론이 붕괴됨에도 불구하고 페르미-아크의 스핀 구조가 왜 여전히 페르미 고리에 탄성 정렬되어 있는가?
• RQ5 편향된 위상적 물질에서 종단 방향 자기전기 효과 및 비국소 초전도성에 대해 평행 스핀-운동량 고정 현상은 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PtGa의 Γ 점 근처 외부 및 내부 페르미-아크에서 관측된 스핀 구조는 평면 내 스핀 균형이 페르미 고리에 수직으로 정렬되어 있으며, 외부 아크는 ky에 대해 반대향으로, 내부 아크는 ky와 평행으로 스핀 균형을 보인다.
• 측정된 페르미-아크의 스핀 구조는 ab initio 계산과 뛰어난 일치를 보이며, Γ 점에서의 부피 내 다중포탄 페르미온이 평행 스핀-운동량 고정 현상을 나타냄을 확인한다.
• 고대칭점에서 멀리 떨어진 Γ–R 방향에서도 스핀 구조가 여전히 페르미 고리에 탄성 정렬되어 있음을 확인하여, 비국소적이고 강건한 스핀-운동량 고정 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 광자 에너지 및 편광을 체계적으로 변화시킨 결과, 관측된 스핀 균형이 초기 상태의 파동함수에서 기인한 내재된 성질임을 확인하였으며, 매트릭스 원소의 영향이 아님을 입증하였다.
• 반대 엔안티모르피 표면에서의 측정 결과 스핀 균형이 예상대로 반전되었으며, 이는 스핀이 공간 역행에서 허위벡터로 변환됨을 확인하여 스핀 구조의 내재성 여부를 검증하였다.
• 이 발견은 PtGa가 등방성 종단 자기전기 효과의 플랫폼이 될 수 있음을 시사하며, 새로운 스핀트로닉스 장치 및 특이 초전도 상태의 잠재적 응용 가능성을 제시한다.