[논문 리뷰] Topological Lifshitz transition in Weyl semimetal NbP decorated with heavy elements

A. S. Wadge, B.J. Kowalski외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 12.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 희토류 원소 캡핑(Pb, Nb)이 와일 반도체 NbP의 전자 구조에 미치는 영향를 조사한다. Pb 캡핑(1 ML)은 P-terminated 표면에서 위상적 리프시츠 전이(TLT)를 유도하며, 이는 인접한 브릴루앙 존 사이의 웨일 점을 가로질러 표면 피에르 띠(fermi arc)이 텔레포트되는 현상으로 나타난다. ARPES 분석 결과, Pb 캡핑은 피에르 에너지를 이동시키고 표면 피에르 띠(SFAs)를 재구성하지만, 그 위상적 보호 성질은 유지된다. 반면, Nb 캡핑(0.8 ML)은 완전한 TLT를 유도하지 않는 예비 상태를 유도한다.

ABSTRACT

Studies of the Fermi surface modification after in-situ covering NbP semimetal with heavy elements Pb and Nb ultrathin layers were performed by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). First, the electronic structure was investigated for pristine single crystals with two possible terminations (P and Nb) of the (0 0 1) surface. The nature of the electronic states of these two cleaving planes is different: P-terminated surface shows spoon and bow tie shaped fingerprints, whereas these shapes are not present in Nb-terminated surfaces. ARPES studies show that even 1 monolayer (ML) of Pb causes topological quantum Lifshitz transition (TQLT) in P- and Nb-terminated surfaces. Deposited Pb 5d electrons have wide extended atomic orbitals which leads to strong hybridization with Pb-terminated surface and a corresponding shift in the Fermi energy. Nb has less capability to perturb the system than Pb because Nb has weaker spin-orbit coupling than Pb. Nb-terminated surface subjected to surface decoration with approximately 1.3 ML of Nb shows no dramatic modification in the Fermi surface. In the case of Nb decorated P-terminated surface, deposition of approximately 1 ML modifies the electronic structure of NbP and it is on the verge of TQLT. Despite the strong spin-orbit and strong hybridization of the heavy elements on the surface, it is possible to observe the TQLT of the surface states thanks to the robustness of the bulk topology.

연구 동기 및 목표

• 와일 반도체 NbP의 전자 구조에 대한 희토류 원소 캡핑(Pb, Nb)의 영향을 조사하기 위해
• 표면에 희토류 원소를 캡핑함으로써 NbP에서 위상적 리프시츠 전이(TLT)가 유도되는지 확인하기 위해
• 표면 종료 상태(P- vs. Nb-종료)가 위상적으로 보호된 표면 상태의 발생을 어떻게 규제하는지 검토하기 위해
• 캡핑 층과 같은 외부 자극을 통해 피에르 띠의 연결성과 위상학적 성질을 제어할 수 있는지 탐색하기 위해
• 강한 스핀-오비탈 결합과 혼성화가 존재하는 조건에서 위상적과 비위상적 리프시츠 전이를 구별하기 위해

제안 방법

• SOLARIS 싱크로트론의 UARPES 비임계에서 고에너지(1.8 meV) 및 고각도(0.1°) 해상도를 갖춘 각도분석형 광전자분광법(ARPES)을 사용함.
• 초고진공(UHV) 조건 하에서 깨진 NbP 단일결정 표면에 Pb(1 ML) 및 Nb(0.8 ML)를 현장에서 증착함.
• 캡핑 이전 및 이후에 P-종료 및 Nb-종료 (001) 표면에서의 체계적 ARPES 측정을 통해 밴드 구조 및 피에르 표면의 진화를 추적함.
• 캡핑 후 원소 조성과 인터페이스 화학을 확인하기 위해 코어 레벨 스펙트로스코피를 수행함.
• 고대칭 경로(예: Γ–X, M–Y 등) 沿해 상수 에너지 등고선과 밴드 디스퍼션을 비교하여 표면 상태 및 피에르 띠 재구성 여부를 규명함.
• 3D 강도도 플롯을 활용하여 다양한 캡핑 조건에서 피에르 표면 위상의 진화를 시각화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 P-종료된 NbP 표면에 1 ML의 Pb를 증착함으로써 위상적 리프시츠 전이(TLT)가 유도되는가?
• RQ2 Pb 캡핑 이후 피에르 표면과 표면 피에르 띠(SFA)의 연결성이 어떻게 변화하는가? 이때 웨일 점의 카이랄리티는 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 0.8 ML의 Nb 캡핑이 P-종료된 NbP의 전자 구조에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 TLT로 이어지는가?
• RQ4 P-종료된 표면과 Nb-종료된 표면에서 Pb 캡핑에 대한 비위상적 표면 상태와 위상적 표면 상태의 반응은 어떻게 다를까?
• RQ5 강한 스핀-오비탈 결합과 혼성화를 갖는 희토류 원소는 경량 원소 캡핑과 비교해 다른 위상적 전이를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• P-종료된 NbP 표면에 1 ML의 Pb를 증착함으로써 위상적 리프시츠 전이(TLT)가 유도되며, 이는 인접한 브릴루앙 존 사이의 웨일 점을 가로질러 표면 피에르 띠(SFAs)가 텔레포트되는 현상으로 나타난다.
• TLT는 측정 가능한 피에르 에너지 이동과 함께 피에르 표면의 재구성과 함께 나타나며, ARPES 밴드 디스퍼션과 상수 에너지 등고선을 통해 확인된다.
• 1 ML의 Pb 증착 이후에도 SFAs는 서로 반대 카이랄리티를 갖는 위상적으로 보호된 웨일 점에 연결되어 있으며, 위상적 보존 성질이 유지된다.
• P-종료된 NbP에 0.8 ML의 Nb를 캡핑하면 TLT의 예비 상태가 유도되며, 전자 구조는 변화하지만 완전한 위상 전이가 발생하지는 않는다.
• Nb-종료된 표면에서는 1.9 ML의 Pb 증착이 비위상적 리프시츠 전이만 유도하며, 위상 재구성 없이 비위상 표면 상태만 변화시킨다.
• P-종료된 표면에서는 숟가락형과 리본형(보우티) 표면 상태가 특징적으로 나타나며, 이는 Nb-종료된 표면에는 존재하지 않아 표면 종료 상태의 고유한 의존성을 나타낸다.