[논문 리뷰] Strong Anisotropy of Dirac Cone in SrMnBi2 and CaMnBi2 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Ya Feng, Zhijun Wang외 19명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 34인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)을 사용하여 SrMnBi2와 CaMnBi2가 강한 이방성 디рак 콘을 갖는다는 것을 입증한다. 이는 Bi 정사각형 네트워크 위아래에 있는 A-이온(Sr 대 Ca)의 공간적 배열과 스핀-오비트 결합의 차이에 기인한 고유한 전자 구조에 기인한다. 주요 발견은 CaMnBi2가 분리된, 거대한 이방성 디랙 콘을 나타내는 반면, SrMnBi2는 강화된 스핀-오비트 결합으로 인해 하부 디랙 브랜치에 갭이 생겨, AMnBi2 시스템이 디랙 콘의 이방성을 공학적으로 조절할 수 있는 유연한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

The Dirac materials, such as graphene and three-dimensional topological insulators, have attracted much attention because they exhibit novel quantum phenomena with their low energy electrons governed by the relativistic Dirac equations. One particular interest is to generate Dirac cone anisotropy so that the electrons can propagate differently from one direction to the other, creating an additional tunability for new properties and applications. While various theoretical approaches have been proposed to make the isotropic Dirac cones of graphene into anisotropic ones, it has not yet been met with success. There are also some theoretical predictions and/or experimental indications of anisotropic Dirac cone in novel topological insulators and AMnBi2 (A=Sr and Ca) but more experimental investigations are needed. Here we report systematic high resolution angle-resolved photoemission measurements that have provided direct evidence on the existence of strongly anisotropic Dirac cones in SrMnBi2 and CaMnBi2. Distinct behaviors of the Dirac cones between SrMnBi2 and CaMnBi2 are also observed. These results have provided important information on the strong anisotropy of the Dirac cones in AMnBi2 system that can be governed by the spin-orbital coupling and the local environment surrounding the Bi square net.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 예측된 바 있으나 아직 확실하게 관측되지 않은, SrMnBi2와 CaMnBi2에서 강한 이방성 디랙 콘의 존재를 실험적으로 확인하기 위해.
• AMnBi2(A = Sr, Ca) 물질에서 디랙 콘의 이방성 기원을 조사하며, 특히 Bi 정사각형 네트워크 주변의 국소 결정 구조와 스핀-오비트 결합의 역할을 규명하기 위해.
• 이전의 밴드 구조 계산과 실험 관측 간의 모순을 해결하기 위해, 특히 CaMnBi2에서의 디랙 콘 존재성과 위상 구조에 대해.
• Bi 정사각형 네트워크 위아래에 있는 Sr 또는 Ca 이온의 배열이 디랙 콘 분산과 페르미 표면 위상 구조를 어떻게 제어하는지에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• SrMnBi2와 CaMnBi2의 인-사이트 분할 단결정을 대상으로 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)을 수행하였으며, He-Iα 원천(hν = 21.218 eV)을 사용하여 에너지 해상도 20 meV, 약 0.3°의 각도 해상도를 확보하였다.
• 정확한 에너지 캘리브레이션을 위해, 분할된 다결정금속 금속 접촉면의 페르미 에 bord를 기준으로 페르미 수준을 참조하였다.
• 전자 구조 계산은 GGA-PBE 교환-상관 기능과 스핀-오비트 결합을 제2변분 절차를 통해 포함한 전면 잠금된 평면파(FP-LAPW) 방법을 사용하여 수행하였다.
• 밴드 구조 계산에 13×13×5의 k-점 메쉬를 사용하였으며, 머피-틴 반지름은 2.50 보흐르로 설정하고, 수렴을 위해 RminKmax = 7.0을 설정하였다.
• ARPES 데이터에서 일정 에너지 등고선과 페르미 표면도를 추출하여 계산된 밴드 구조와 비교함으로써 관측된 디랙 콘의 이방성 특성을 검증하였다.
• Γ–M 및 X–M와 같은 특정 운동량 방향에 따른 컷 프로파일을 분석하여 분산의 이방성과 갭의 열림 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밴드 구조 계산에서 예측된 바와 같이, SrMnBi2와 CaMnBi2는 강한 이방성을 갖는 디랙 콘을 갖는가?
• RQ2 Bi 정사각형 네트워크 위아래에 있는 Sr 또는 Ca 이온의 배열이 디랙 콘 분산과 페르미 표면 위상 구조에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 유사한 결정 구조를 가진 두 물질이지만, 왜 SrMnBi2와 CaMnBi2는 다른 페르미 표면 형태와 디랙 지점의 가시성(가시성)을 보이는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합이 이 물질들의 디랙 콘에서 갭 열림과 이방성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 화학 치환 또는 구조적 조절을 통해 AMnBi2 시스템이 디랙 콘의 이방성을 공학적으로 조절할 수 있는 플랫폼로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• ARPES 측정 결과, SrMnBi2와 CaMnBi2 모두 강한 이방성 디랙 콘을 갖는 것으로 확인되었으며, CaMnBi2의 디랙 콘은 거대한 이방성을 보였다.
• SrMnBi2에서는 Γ–M 방향에서 큰 스핀-오비트 결합에 의한 갭(~100 meV)으로 인해 하부 디랙 지점만 관측되었으며, 상부 지점은 페르미 수준 위에 위치하였다.
• CaMnBi2에서는 하부 및 상부 디랙 지점 모두 관측되었으며, X 점 근처에서 상부 지점이 페르미 수준 아래에 위치하여, SrMnBi2보다 작은 갭(~50 meV)을 가진 것으로 나타났다.
• SrMnBi2의 페르미 표면은 네 개의 분리된 강한 강도 세그먼트로 이루어져 있는 반면, CaMnBi2는 큰 다이아몬드 모양의 페르미 포켓을 보였으며, 이는 밴드 구조 계산과 일치하였다.
• ARPES와 계산에서 유도된 일정 에너지 등고선은 양 물질에서 Γ–M 대각선을 따라 움푹 들어간 달의 모양의 페르미 포켓을 보였으며, 실험과 이론 간에 뛰어난 일치를 보였다.
• Γ–M 방향의 밴드 분산은 CaMnBi2에서 SrMnBi2보다 훨씬 평탄하였으며, 이는 교대로 배열된 Ca로 인해 하이브리드화가 약해지고 분산가 줄어들어 발생한 것으로 기인되었다.