[논문 리뷰] Identification of Topological Surface State in PdTe2 Superconductor by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Yan Liu, Jianzhou Zhao외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 25.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)과 최초원리 계산을 통해 초전도체 PdTe2에서 위상적으로 비자명한 표면 상태와 디рак 뾰족을 규명하였다. 디рак 점은 약 1.75 eV의 정착 에너지에 위치해 있으며, 페르미 준위 이하 깊은 곳에 위치해 있으며, 이는 전통적인 위상적 절연체에서 관찰되는 것과는 다릅니다. 이는 표면 상태가 페르미 준위 근처에 위치한 디рак 뾰족을 가지며, 헬리컬 스핀 구조를 띠고 있습니다. 이 발견은 PdTe2가 위상적 초전도성과 비범한 양자 현상을 연구하기 위한 새로운 플랫폼으로서의 가능성을 제시합니다.

ABSTRACT

High resolution angle-resolved photoemission measurements have been carried out on transition metal dichalcogenide PdTe2 that is a superconductor with a Tc at 1.7 K. Combined with theoretical calculations, we have discovered for the first time the existence of topologically nontrivial surface state with Dirac cone in PbTe2 superconductor. It is located at the Brillouin zone center and possesses helical spin texture. Distinct from the usual three-dimensional topological insulators where the Dirac cone of the surface state lies at the Fermi level, the Dirac point of the surface state in PdTe2 lies deep below the Fermi level at ~1.75 eV binding energy and is well separated from the bulk states. The identification of topological surface state in PdTe2 superconductor deep below the Fermi level provides a unique system to explore for new phenomena and properties and opens a door for finding new topological materials in transition metal chalcogenides.

연구 동기 및 목표

• 전이 금속 디chalogen화물의 위상적 표면 상태를 규명하는 것. 이는 전자적 성질이 풍부한 물질이지만 알려진 위상적 행동은 제한된 분야이다.
• 낮은 Tc와 강한 스핀-오비탈 결합을 가지는 초전도체 PdTe2가 위상적으로 보호된 표면 상태를 갖는지 확인하는 것.
• 고해상도 ARPES와 이론적 모델링을 통해 표면 상태의 전자 구조와 스핀 구조를 특성화하는 것.
• PdTe2가 위상적 초전도체에서 마요라나 페르미온과 같은 비범한 양자 현상을 실현하기 위한 플랫폼으로서의 잠재력을 탐색하는 것.
• 전이 금속 셀레니드 시스템에서 위상적 물질을 발견하는 데 새로운 길을 열기 위함.

제안 방법

• 20 K에서 깨진 PdTe2 단일 결정에 대해 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES) 측정을 수행하였으며, He I (21.218 eV), He Iα (23.087 eV), He II (40.8 eV) 광원을 사용하여 에너지 해상도 10 meV, 약 0.3°의 각도 해상도를 확보하였다.
• 동시에 장착된 금 기준의 페르미 에 bord를 사용하여 페르미 준위를 校정하였다.
• WIEN2K 소프트웨어 패키지를 사용하여 최초원리 계산을 수행하였으며, 스핀-오비탈 결합을 자성적으로 자율적으로 포함한 전면 포텐셜 선형화된 평면파 방법(LAPW)을 적용하였다.
• 일반화된 그래데이언트 근사(GGA) 밴드 구조를 정확히 재현하기 위해 Wannier 함수 기반의 타이트 본드 모델을 수립하였다.
• 위상적 불변량과 스핀 구조를 계산하여 표면 상태의 비자명한 위상적 성질을 확인하였다.
• 광자 에너지 의존성 ARPES 측정을 통해 표면 상태와 부스터 상태를 그들의 운동량과 에너지 반응에 기반하여 구별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Tc ~1.7 K인 초전도체 PdTe2는 위상적으로 비자명한 표면 상태를 갖는가?
• RQ2 표면 상태의 디랙 점은 페르미 준위에 대해 어디에 위치해 있으며, 부스터 밴드로부터 어떻게 분리되어 있는가?
• RQ3 표면 상태의 스핀 구조는 무엇이며, 위상적 절연체에서 기대되는 헬리컬 특성을 보이는가?
• RQ4 에너지 위치 때문에 표면 상태가 실험적으로 부스터 상태와 구별될 수 있는가?
• RQ5 초전도체에서 페르미 준위 이하 깊은 곳에 위치한 위상적 표면 상태는 새로운 양자 현상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PdTe2에서 브릴루앙 존 중심에서 위상적으로 비자명한 표면 상태와 디랙 뾰족이 실험적으로 규명되었으며, 디랙 점은 약 1.75 eV의 정착 에너지에 위치해 있다.
• 표면 상태는 부스터 상태로부터 잘 분리되어 있으며, 다양한 광자 에너지에서 안정적으로 유지되어 표면 기원임을 확인한다.
• 표면 상태의 스핀 구조는 상부 디랙 뾰족 브랜치에서 오른손 나선성, 하부에서는 왼손 나선성을 나타내어 위상적 성질을 확인한다.
• 이론적 계산은 ARPES 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 위상적 표면 상태의 존재를 검증한다.
• 디랙 뾰족은 페르미 준위 이하 깊은 곳에 위치해 있으며, 일반적인 위상적 절연체에서 관찰되는 것과 대조된다.
• 이 발견은 PdTe2가 마요라나 페르미온과 같은 비범한 양자 현상을 탐색하기 위한 새로운 위상적 초전도체 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다.