[논문 리뷰] Tunable Weyl Points in Periodically Driven Nodal Line Semimetals

Zhongbo Yan, Zhong Wang|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원형 편광 빛에 의해 주기적으로 구동되는 노드라인 반도체(NLSMs)가 플로케트 공학을 통해 조절 가능한 와이울 포인트를 갖는다는 것을 제안한다. 빛은 노드라인에서 와이울 반도체로의 위상 전이를 유도하며, 강건하고 제어 가능한 와이울 포인트와 큰, 조절 가능한 비정상 홀 도전도를 생성한다. 실험적으로 운반성 또는 펌프-프로브 ARPES를 통해 검출 가능하다.

ABSTRACT

Weyl semimetals and nodal line semimetals are characterized by linear band touching at zero-dimensional points and one-dimensional lines, respectively. We predict that a circularly polarized light drives nodal line semimetals into Weyl semimetals. The Floquet Weyl points thus obtained are tunable by the incident light, which enables investigations of them in a highly controllable manner. The transition from nodal line semimetals to Weyl semimetals is accompanied by the emergence of a large and tunable anomalous Hall conductivity. Our predictions are experimentally testable by transport measurement in film samples or by pump-probe angle-resolved photoemission spectroscopy.

연구 동기 및 목표

• 주기적인 구동 조건 하에서 노드라인 반도체(NLSMs)에서 와이울 반도체(WSMs)로의 위상 전이를 탐색하기 위해.
• 원형 편광 빛에 노출되었을 때 NLSMs에서 조절 가능한 와이울 포인트의 발생을 조사하기 위해.
• 유도된 플로케트 WSM 상태에서 큰, 조절 가능한 비정상 홀 도전도(AHC)의 생성을 입증하기 위해.
• 운반성 또는 ARPES를 통한 광유도 와이울 포인트 및 페르미 호의 실험적 검출이 가능한 예측을 제시하기 위해.
• 빛의 편광과 강도를 통해 NLSMs의 위상적 성질을 제어할 수 있는 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 스핀이 없는 NLSMs의 이중 밴드 효과적 해밀토니안을 사용하여, 영 에너지에서 노드라인을 갖는 시스템을 기술한다. 이는 $\mathcal{H}({\bf k}) = (m - Bk^2)\tau_x + v k_z \tau_z + \epsilon_0({\bf k})\tau_0$ 로 기술된다.
• 플로케트 형식을 통해 원형 편광 빛장을 적용하여, 시간에 주기적으로 변화하는 외부 교란을 도입하고, 이로 인해 효과적 해밀토니안이 $\mathcal{H}_{\rm eff}({\bf k}) = \mathcal{H}({\bf k}) + \lambda k_y \tau_y$ 로 수정됨을 나타낸다.
• 회전파 근사 아래에서 효과적 해밀토니안을 유도하여, 노드라인의 갭이 열리고 유한한 운동량에서 네 개의 와이울 포인트로 분리됨을 보여준다.
• 빛의 강도와 편광에 따라 와이울 포인트의 위치를 분석하여, 레이저의 편광 방향과 세기를 변화시킴으로써 조절 가능함을 입증한다.
• 실제 NLSMs를 모델링하기 위해 스핀오비트 결합(SOC)을 작은 교란으로 포함하여, 와이울 포인트 생성을 위한 임계 레이저 강도를 보여준다.
• ZrSiS를 후보 물질로 삼아 실험적 실현 가능성을 평가하며, 실제 조건에서의 침투 깊이, 홀 전압, ARPES 검출 가능성 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 편광 빛은 노드라인 반도체를 와이울 반도체 상태로 전이시킬 수 있는가?
• RQ2 유도된 와이울 포인트의 위치와 성질은 입사 빛의 특성에 의해 어떻게 제어되는가?
• RQ3 광유도 와이울 상태에서 비정상 홀 도전도의 크기와 조절 가능성은 어떠한가?
• RQ4 광유도 페르미 호는 원래 NLSM의 드럼헤드 표면 상태의 기울임으로 이해될 수 있는가?
• RQ5 작은 내재된 스핀오비트 결합 갭을 갖는 NLSMs에서 와이울 포인트를 생성하기 위한 임계 레이저 강도는 얼마인가?

주요 결과

• 원형 편광 빛은 노드라인 반도체를 플로케트 와이울 반도체 상태로 전이시키며, 노드라인은 네 개의 와이울 포인트로 갭이 열린다.
• 와이울 포인트는 매우 조절 가능하다: 빛의 편광과 강도를 변화시킴으로써 위치를 자유자재로 조절할 수 있다.
• 큰 비정상 홀 도전도가 나타나며, 저온에서 빛의 강도에 민감하지 않지만 빛의 편광 방향을 뒤집을 경우 도전도의 부호가 반전된다.
• 플로케트 WSM의 페르미 호는 원래 NLSM의 드럼헤드 표면 상태의 기울임에서 기인하며, 기하학적 해석을 제공한다.
• ZrSiS의 경우, 100 nm 두께의 필름이 100 mA 전류와 120 meV 원형 편광 빛에 노출될 때 약 1 mV의 측정 가능한 홀 전압을 생성할 수 있다.
• 광유도 페르미 호 속도는 부스러기 페르미 속도의 약 10%에 도달하여, 펌프-프로브 ARPES 실험으로 검출 가능하다.