[논문 리뷰] Two-dimensional Dirac nodal-line semimetal protected by symmetry

Xingxia Cui, Yafei Li외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3-원자층 비스무트(3-AL Bi(110))를 백인장석 상에서 에pitaxially 성장시켜, 내재된 결정대칭에 의해 보호되는 두 번째 차원 디рак 노드 라인 반도체(2D DNLS)의 첫 번째 실험적 실현을 보고한다. 3-AL Bi(110)의 비대칭 공간군 대칭은 스핀-오비트 결합으로부터 디рак 노드 라인을 위상적으로 보호하며, 분자주입 에pitaxy, STM, nc-AFM, DFT 및 공간군 분석을 통해 확인된 네 개의 디세기로 이루어진 선형 분산 디рак 밴드를 안정적으로 유지한다.

ABSTRACT

Dirac nodal line semimetals (DNLSs) host relativistic quasiparticles in their one-dimensional (1D) Dirac nodal line (DNL) bands that are protected by certain crystalline symmetries. Their novel low-energy fermion quasiparticle excitations and transport properties invite studies of relativistic physics in the solid state where their linearly dispersing Dirac bands cross at continuous lines with four-fold degeneracy. In materials studied up to now, the four-fold degeneracy, however, has been vulnerable to suppression by the ubiquitous spin-orbit coupling (SOC). Despite the current effort to discover 3D DNLSs that are robust to SOC by theory, positive experimental evidence is yet to emerge. In 2D DNLSs, because of the decreased total density of states as compared with their 3D counterparts, it is anticipated that their physical properties would be dominated by the electronic states defined by the DNL. It has been even more challenging, however, to discover robust 2D DNLSs against SOC because of their lowered symmetry; no such materials have yet been predicted by theory. By combining molecular beam epitaxy growth, STM, nc-AFM characterisation, with DFT calculations and space group theory analysis, here we reveal a novel class of 2D crystalline DNLSs that host the exact symmetry that protects them against SOC. The discovered quantum material is a brick phase 3-AL Bi(110), whose symmetry protection and thermal stability are imparted by the compressive vdW epitaxial growth on black phosphorus substrates. The BP substrate templates the growth of 3-AL Bi(110) nano-islands in a non-symmorphic space group structure. This crystalline symmetry protects the DNL electronic phase against SOC independent of any orbital or elemental factors. We theoretically establish that this intrinsic symmetry imparts a general, robust protection of DNL in a series of isostructural 2D quantum materials.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비트 결합(SOC)에 대해 강건한 보호를 받는 두 번째 차원 디랙 노드 라인 반도체(2D DNLS)를 발견하는 것. 이는 대칭이 감소한 2D 시스템에서 주요 과제이기 때문이다.
• 전자 또는 원소적 요인에 의존하지 않고 디랙 노드 라인(DNL)을 내재적으로 보호하는 결정대칭 메커니즘을 규명하는 것.
• 이러한 대칭 보호가 선형 분산을 가지며 네 번째 디세기인 안정적인 2D 양자물질에서 DNL 밴드를 가능하게 한다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 분자주입 에pitaxy(MBE)를 사용하여 블랙 흑인장석 기반막 위에 3-원자층 비스무트(3-AL Bi(110)) 나노섬을 성장시켰다.
• 스캐닝 턨널링 현미경(STM)과 비접촉 원자력 현미경(nc-AFM)을 활용하여 3-AL Bi(110) 섬의 원자 구조 및 표면 형태를 특성화했다.
• 전자 밴드 구조 분석 및 네 개의 디세기로 이루어진 디랙 노드 라인의 존재를 확인하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행했다.
• 공간군 이론 분석을 통해 디랙 노드 라인의 위상적 보호를 담당하는 비대칭 대칭(특히 I4/mmm 공간군)을 규명했다.
• 블랙 흑인장석 기반막으로부터 유도된 에pitaxial 응력이 3-AL Bi(110) 상의 안정성을 높이고 DNL 보호를 위한 대칭을 강제로 유도함을 보였다.
• 이론적 모델링을 통해 이러한 대칭 보호 메커니즘이 이소구조적 2D 물질의 일군에 일반화 가능함을 확인했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 결합에 대해 강건한 보호를 받는 두 번째 차원 디랙 노드 라인 반도체가 2D 시스템에서 안정화될 수 있는가?
• RQ2 2D 물질에서 어떤 특정한 결정대칭이 전자적 또는 원소적 요인에 의존하지 않고 디랙 노드 라인에 내재된 위상적 보호를 제공할 수 있는가?
• RQ3 블랙 흑인장석 상에서의 에pitaxial 성장이 비대칭 대칭을 가지는 3-AL Bi(110) 상의 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 3-AL Bi(110)에서 비대칭 공간군 대칭이 디랙 노드 라인에서 네 번째 디세기의 분리 방지에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 3-AL Bi(110)에서 관찰된 대칭 보호 메커니즘은 유사한 결정 구조를 가진 다른 2D 물질에 일반화 가능한가?

주요 결과

• 블랙 흑인장석 상에 성장된 3-AL Bi(110) 필름은 네 번째 디세기로 이루어진 디랙 노드 라인(DNL)을 나타내며, DFT 계산과 STM 측정을 통해 확인되었다.
• DNL은 3-AL Bi(110) 구조의 비대칭 공간군 대칭(I4/mmm)에 의해 위상적으로 보호되며, 이는 스핀-오비트 결합으로 인한 분리가 방지됨을 의미한다.
• 블랙 흑인장석 기반막 상의 에pitaxial 성장은 압축 응력을 유도하여 3-AL Bi(110) 상의 안정성을 높이고 DNL 보호를 위한 대칭을 강제로 유지한다.
• 이론적 분석을 통해 이러한 대칭 보호는 일반적이며 비스무트를 초월한 이소구조적 2D 물질의 일군에 적용 가능하다는 것이 확인되었다.
• 3-AL Bi(110) 시스템은 높은 열적 안정성과 잘 정의된 원자층을 보이며, DNL 상의 안정적인 관측을 가능하게 한다.
• DNL에서 스핀-오비트 결합에 의한 분리가 없는 것은 물질 특유의 전자적 또는 궤도적 특성 때문이 아니라 순수히 결정대칭 때문임을 밝혔다.