[논문 리뷰] Tunability of the topological nodal-line semimetal phase in ZrSiX-type materials

M. Mofazzel Hosen, Klauss Dimitri외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Intermetallics and Advanced Alloy Properties인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 ZrSiX (X = S, Se, Te)에서 상위(topological) 노드 라인 반도체 상이 챕테론 원소의 변화에 따라 연속적으로 조절될 수 있음을 보여준다. 이는 스핀-오비트 결합(SOC) 강도가 증가함에 따라 발생한다. 역각도 분광법(ARPES)과 밀도함수이론(DFT) 기반의 최초 원리 계산을 통해 저자들은 ZrSiTe에서 노드 라인 반도체에서 금속 없는 상태로의 전이를 입증하였으며, M–Γ–M 방향에서 60 meV의 갭이 열리는 것으로 확인하였다. 이는 이 물질군에서 SOC에 의해 유도되는 위상적 조절 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

The discovery of a topological nodal-line (TNL) semimetal phase in ZrSiS has invigorated the study of other members of this family. Here, we present a comparative electronic structure study of ZrSiX (where X = S, Se, Te) using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and first-principles calculations. Our ARPES studies show that the overall electronic structure of ZrSiX materials comprises of the diamond-shaped Fermi pocket, the nearly elliptical-shaped Fermi pocket, and a small electron pocket encircling the zone center ($Γ$) point, the M point, and the X point of the Brillouin zone, respectively. We also observe a small Fermi surface pocket along the M-$Γ$-M direction in ZrSiTe, which is absent in both ZrSiS and ZrSiSe. Furthermore, our theoretical studies show a transition from nodal-line to nodeless gapped phase by tuning the chalcogenide from S to Te in these material systems. Our findings provide direct evidence for the tunability of the TNL phase in ZrSiX material systems by adjusting the spin-orbit coupling (SOC) strength via the X anion.

연구 동기 및 목표

• ZrSiX (X = S, Se, Te) 물질의 전자 구조와 위상적 상 안정성을 조사한다.
• 스핀-오비트 결합(SOC) 강도가 챕테론 원소에 의해 조절될 때, 노드 라인 반도체 상에 어떤 영향을 미치는지 규명한다.
• 이 물질군에서 위상적 상 전이의 실험적 및 이론적 징후를 식별한다.
• 비대칭 대칭성과 실린 전하 보상이 위상 상태의 안정성에 미치는 영향을 탐색한다.
• 화학 치환을 통한 위상 반도체 상의 체계적 조절 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• ZrSiS, ZrSiSe, ZrSiTe의 단일 결정을 대상으로 역각도 분광법(ARPES)을 수행하여 전자 밴드 구조와 페르미 표면을 매핑한다.
• 밀도함수이론(DFT) 기반 최초 원리 계산을 수행하여 밴드 구조를 계산하고, 스핀-오비트 결합(SOC)이 노드 라인 형성과 갭 열림에 미치는 영향을 분석한다.
• 실험적 ARPES 데이터와 이론적 밴드 구조를 비교하여 노드 라인과 페르미 표면 포켓의 존재 및 진화를 검증한다.
• 핵심 준위 분광법 및 저항도 측정을 분석하여 시료의 스토이히오메트리와 전자 운반체 행동을 확인한다.
• 대칭성 분석과 비대칭 대칭성 보호 메커니즘을 사용하여 X 점 근처의 디라크 콘의 강건성을 설명한다.
• ZrSiS, ZrSiSe, ZrSiTe의 화학적 피드백 이동과 전하 보상 정도를 평가하여 자성 전도도 반응의 차이를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채택된 챕테론 원소의 원자 번호가 증가함에 따라 ZrSiX (X = S, Se, Te)의 전자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 스핀-오비트 결합(SOC)이 ZrSiX 물질에서 위상적 노드 라인 반도체에서 금속 없는 상태로의 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 왜 ZrSiTe는 ZrSiS와 ZrSiSe에 비해 M–Γ–M 방향에서 추가적인 구형 포켓을 나타내는가?
• RQ4 비대칭 대칭성과 전하 보상은 위상적 노드 라인의 안정성과 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ZrSiX 계열에서 화학 치환을 통해 노드 라인 반도체 상을 연속적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• ARPES 측정 결과, ZrSiTe에서 M–Γ–M 방향에 작은 구형 포켓이 존재하는 것으로 확인되었으며, ZrSiS와 ZrSiSe에는 존재하지 않았다.
• 최초 원리 계산 결과, ZrSiTe에서 M–Γ–M 노드 라인에 60 meV의 갭이 열리는 것으로 나타났고, ZrSiS와 ZrSiSe는 거의 갭이 없는 상태를 유지하였다.
• 채택된 챕테론 원소가 S에서 Te로 변화함에 따라 노드 라인 반도체 상이 금속 없는 갭이 있는 반도체 상으로 전이되며, 이는 증가하는 스핀-오비트 결합 강도에 의해 유도된다.
• X 점 근처의 디라크 콘은 증가하는 SOC에도 불구하고 비대칭 대칭성에 의해 보호되어 강건하고 갭이 없는 상태를 유지한다.
• ZrSiS와 ZrSiSe는 화학적 피드백이 거의 보상된 반도체이며, 화학적 피드백이 노드 라인 근처에 위치해 있으나, ZrSiTe는 이동한 화학적 피드백을 보이며, 구형 운반체 전도도가 우세하다.
• ZrSiTe에서 채널 이 anomaly 효과가 관찰되지 않는 것은 기존의 갭이 존재하기 때문이며, 이는 더 대칭적이고 보상된 시스템에서 관찰되는 자기장 유도 전도도 비정상 현상을 억제한다.