[論文レビュー] A new form of (unexpected) Dirac fermions in the strongly-correlated cerium monopnictides

Nasser Alidoust, A. Alexandradinata+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 9被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、強相関性セリウムモノアラネイド（CeX、X = Bi, Sb）において、奇数の高対称点におけるバルクバンド反転に起因する、新たな形式の頑健で四重簡約性を持つディラックフェルミオンの発見を報告する。対称性による保護がなく、わずかな混合を示しても、これらのディラックフェルミオンは磁気相転移を経ても安定であり、従来のトポロジカル絶縁体やグラフェンとは異なる新たなトポロジカルメカニズムを示している。

ABSTRACT

Discovering Dirac fermions with novel properties has become an important front in condensed matter and materials sciences. Here, we report the observation of unusual Dirac fermion states in a strongly-correlated electron setting, which are uniquely distinct from those of graphene and conventional topological insulators. In strongly-correlated cerium monopnictides, we find two sets of highly anisotropic Dirac fermions that interpenetrate each other with negligible hybridization, and show a peculiar four-fold degeneracy where their Dirac nodes overlap. Despite the lack of protection by crystalline or time-reversal symmetries, this four-fold degeneracy is robust across magnetic phase transitions. Comparison of these experimental findings with our theoretical calculations suggests that the observed surface Dirac fermions arise from bulk band inversions at an odd number of high-symmetry points, which is analogous to the band topology which describes a $\mathbb{Z}_{2}$-topological phase. Our findings open up an unprecedented and long-sought-for platform for exploring novel Dirac fermion physics in a strongly-correlated semimetal.

研究の動機と目的

• 強相関性セリウムモノアラネイド（CeX、X = Bi, Sb）の電子状態を調査し、特異なディラックフェルミオン状態を明らかにすること。
• 従来の対称性保護がなければ、ディラックフェルミオンが強相関系に出現しうるかどうかを特定すること。
• 低キャリア密度および強い電子相関を持つ物質における、頑健で混合を示さないディラックフェルミオンのトポロジカル起源を解明すること。
• 実験的観察された四重簡約的ディラックノードを、バンドトポロジーの理論モデルと一致させること。
• 強相関性半金属におけるディラックフェルミオン物理学を研究するための新規なプラットフォームを提案し、これまでのCeX材料に関する研究を再解釈する可能性を示すこと。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を、Advanced Light Source（ALS）およびStanford Synchrotron Radiation Lightsource（SSRL）で実施し、8–100 eVの光子エネルギーを用いた。
• 超高真空（5×10⁻¹¹ torr未満）下で10 Kで単結晶をイン・サイトで割り、高分解能の電子状態測定に適した完全な表面状態を確保した。
• 第一原理計算は、VASPを用い、GGAおよびPAW法を用い、スピン軌道結合を2段階目の変分計算として含めた。
• 表面状態の分散関係を調査するため、約6 nmのCeX厚さと15 Å以上の真空ギャップを持つスラブモデルを用いた。(001)面の表面状態を模擬した。
• 三価のCe f電子はコア電子として取り扱い、幾何最適化には12×12×12のkメッシュを用いてブリユアンゾーンをサンプリングした。
• 理論的分析では、高対称点（例：Γ、M）におけるバンド反転に注目し、観測されたディラックノードが負の間隙を持つ系におけるZ₂型トポロジカル不変量と関連していることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性や結晶対称性による保護がなくとも、強相関性物質に頑健で混合を示さないディラックフェルミオンが存在しうるか？
• RQ2 CeX材料において同じ運動量位置に観測された四重簡約的デゲネラシーのトポロジカル起源は何か？
• RQ3 奇数の高対称点におけるバルクバンド反転が、CeXにおけるトポロジカル表面状態をどのように誘導するか？
• RQ4 わずかな混合を示しても、なぜディラックフェルミオンが磁気相転移を経ても安定なのか？
• RQ5 Γ点に予測された第3の表面ディラックコーンは、圧力や合金化といった外部パラメータの調整によって実験的に解明可能か？

主な発見

• CeBiおよびCeSbにおいて、わずかな混合を示す高いための異方的ディラックフェルミオンが観測され、同じ運動量位置で相互に貫通していた。
• ディラックノードは、時間反転対称性や結晶対称性による保護がなくても、磁気相転移を経ても持続する頑健な四重簡約的デゲネラシーを示した。
• 観測された表面ディラックフェルミオンは、奇数の高対称点におけるバルクバンド反転に起因しており、Z₂トポロジカル相に類似した挙動を示した。
• 第一原理計算により、表面状態が従来のトポロジカル絶縁体やトポロジカル結晶絶縁体とは異なるメカニズムでトポロジカル的に保護されていることが確認された。
• Γ点に第3の表面ディラックコーンが予測されており、これはバルクバンドに埋もれており、外部の調整（圧力や合金化）によって露出される可能性がある。
• 結晶対称性下でのトポロジの明確な確認のため、スピン分解測定の実施が提案されており、これらのディラック状態を踏まえた上で、これまでのCeX材料に関する研究の再評価が示唆されている。