[논문 리뷰] Surface vs bulk electronic structures of a moderately correlated topological insulator YbB6 revealed by ARPES

Nan Xu, C. E. Matt외 15명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 YbB6, 중간 정도의 전자 상호작용을 갖는 위상 절연체 후보 물질인 표면 및 부피 전자 구조를 해석하기 위해 각도 분 giải 광전자 방사 분광법(ARPES)을 사용한다. 실험 결과, Yb 4f 상태가 페르미 수준 이하 1–2.3 eV에 위치해 있으며, 이는 최초 원리 계산 결과와 정반대이다. 또한, 세 개의 전자성 Fermi 표면과 디랙 콘 유사 분산을 보이는 표면 상태, 스핀 균형을 가진 표면 상태를 확인하였으며, 이는 위상 보호를 나타낸다. 더불어 1×2 표면 재구성에 기인한 구멍성 포켓도 관측되었다.

ABSTRACT

Systematic angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) experiments have been carried out to investigate the bulk and (100) surface electronic structures of a topological mixed-valence insulator candidate, YbB6. The bulk states of YbB6 were probed with bulk-sensitive soft X-ray ARPES, which show strong three-dimensionality as required by cubic symmetry. Surprisingly the measured Yb 4f states are located around 1 eV and 2.3 eV below the Fermi level (EF), instead of being near EF as indicated by first principle calculations. The dispersive bands near EF are B 2p states, which hybridize with the 4f states. Using surface-sensitive vacuum-ultraviolet ARPES, we revealed two-dimensional surface states which form three electron-like Fermi surfaces (FSs) with Dirac-cone-like dispersions. The odd number of surface FSs gives the first indication that YbB6 is a moderately correlated topological insulator. The spin-resolved ARPES measurements provide further evidence that these surface states are spin polarized with spin locked to the crystal momentum. We have observed a second set of surface states with different topology (hole-like pockets). Clear folding of the bands suggest their origin from a 1X2 reconstructed surface. The topological property of the reconstructed surface states needs further studies.

연구 동기 및 목표

• YbB6의 전자 구조를 규명하기 위해, 중간 정도의 전자 상호작용을 갖는 위상 절연체 후보 물질로서의 특성을 고려한다.
• YbB6의 표면 상태가 디랙 콘 유사 분산을 보이며 위상 보호를 나타내는지 확인한다.
• Yb 4f 상태의 위치에 관해 실험적 관측과 최초 원리 계산 간의 괴리를 명확히 한다.
• 표면 재구성이 전자 상태에 미치는 영향, 특히 구멍성 포켓의 발생 메커니즘을 조사한다.

제안 방법

• YbB6의 삼차원 부피 전자 구조를 탐사하기 위해 부피 민감도를 갖는 소프트-X선 ARPES를 사용한다.
• YbB6의 (100) 표면에서의 이차원 표면 상태에 접근하기 위해 표면 민감도를 갖는 진공 우울티 ARPES를 사용한다.
• 표면 상태의 스핀-모멘텀 락킹을 확인하기 위해 스핀 분 giải ARPES 측정을 수행한다.
• 표면 재구성 효과를 식별하기 위해 밴드 폴딩 패tern을 분석한다. 예를 들어 1×2 재구성와 같은 경우.
• 실험 데이터를 최초 원리 계산과 비교하여 전자 상호작용과 상태의 위치를 평가한다.
• 전자성 및 구멍성 표면 포켓을 식별하기 위해 페르미 표면 위상도를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YbB6에서 Yb 4f 상태는 페르미 수준에 대해 어디에 위치해 있으며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 YbB6의 표면 상태는 디랙 콘 유사 분산과 스핀 균형을 보이며, 위상 보호를 나타내는가?
• RQ3 두 번째 표면 상태 집단이 구멍성 페르미 표면 포켓을 가지는 이유는 무엇인가?
• RQ4 표면 재구성이 YbB6의 관측된 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 YbB6의 전자 상호작용은 부피 및 표면 전자 구조에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• YbB6의 Yb 4f 상태는 페르미 수준 이하 약 1 eV 및 2.3 eV에 위치해 있으며, 이는 최초 원리 계산에서 예측한 바와 정반대이다. 최초 원리 계산은 이 상태들이 페르미 수준 근처에 있다고 예측하였다.
• 페르미 수준 근처의 분산 밴드는 주로 B 2p 상태이며, 이는 Yb 4f 상태와 하이브리드화되어 있다.
• 디랙 콘 유사 분산을 보이는 세 개의 전자성 페르미 표면 시트가 관측되어, 이는 위상 표면 상태를 나타낸다.
• 스핀 분 해 ARPES 측정을 통해 표면 상태가 스핀이 운동량에 고정되어 있으며, 이는 위상 보호의 특징이다.
• 구멍성 페르미 표면 포켓을 가진 두 번째 표면 상태 집단이 확인되었으며, 이는 주로 1×2 표면 재구성에 기인한 것으로 보인다.
• 표면 상태에서의 밴드 폴딩 패턴은 표면 재구성의 명백한 증거를 제공하지만, 이러한 상태의 위상 성격은 향후 추가 연구가 필요하다.