[論文レビュー] Kramers-Weyl fermions in the chiral charge density wave material (TaSe$_4$)$_2$I

Soyeun Kim, Robert C. McKay+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 78被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ヘリシティ依存性を持つレーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、キラルな電荷密度波材料 (TaSe₄)₂I において、クレーマース＝ワイル（KW）フェルミオンの直接的で分光的な証拠を提供した。第一原理計算およびタイトバインディングモデルによる検証も併せ、ブリユアンゾーンの N TRIM 点に位置するトポロジカルに保護された KW ノードと、その径方向のスピンテクスチャーが特定された。260 K 付近で発現する電荷密度波（CDW）秩序と、スピンテクスチャーの相関関係が明確に示された。

ABSTRACT

The quasi-one-dimensional chiral charge density wave (CDW) material (TaSe$_4$)$_2$I has been recently predicted to host Kramers-Weyl (KW) fermions which should exist in the vicinity of high symmetry points in the Brillouin zone in chiral materials with strong spin-orbit coupling. However, direct spectroscopic evidence of KW fermions is limited. Here we use helicity-dependent laser-based angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) in conjunction with tight-binding and first-principles calculations to identify KW fermions in (TaSe$_4$)$_2$I. We find that topological and symmetry considerations place distinct constraints on the (pseudo-) spin texture and the observed spectra around a KW node. We further reveal an interplay between the spin texture around the chiral KW node and the onset of CDW order in (TaSe$_4$)$_2$I. Our findings highlight the unique topological nature of (TaSe$_4$)$_2$I and provide a pathway for identifying KW fermions in other chiral materials.

研究の動機と目的

• キラル材料 (TaSe₄)₂I における Kramers-Weyl（KW）フェルミオンの直接的で実験的証明を提供すること。これは、以前に予測されていたが、分光的に確認されていなかった。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、ブリルアンゾーン内の N TRIM 点における KW ノードのスピンテクスチャーおよびトポロジカル性を調査すること。
• キラル電荷密度波（CDW）秩序の発現と、トポロジカルな電子構造との相関関係を (TaSe₄)₂I において調査すること。
• 強いスピン軌道結合を示す他のキラル材料に対しても、KW フェルミオンを同定するための手法を確立すること。

提案手法

• 室温およびその以下の温度で、(TaSe₄)₂I のスピンテクスチャーおよびバンド構造を調べるために、ヘリシティ依存性を持つレーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた。
• 密度汎関数理論（DFT）およびタイトバインディングモデルを用いて、電子バンド構造を計算し、N TRIM 点に KW ノードが存在することを確認した。
• ARPESにおける運動量保存則を適用し、$k_n$ を次の式で推定した：$k_n = \sqrt{\frac{2m}{\hbar^2}[(h\nu - W)\cos^2\theta + V_0]}$。ここで $V_0 = 16$ eV で、$W \sim 4.5$ eV である。
• 温度依存性 X線回折（XRD）を実施し、CDW 転移温度を測定した。サテライトピーク強度をBCSギャップモデルにフィッティングした。
• 可変周波数レーザー光源および1/4波プレートを用いて、光のヘリシティ（LHC/RHC）を制御し、ヘリシティ依存性の強度測定を実現することで、スピンテクスチャーをプローブした。
• スピンテクスチャーの特徴を明らかにするために、バイナリー・セレン化物（Bi₂Se₃）をタンジェントスピンテクスチャーを示す基準系として比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル電荷密度波材料 (TaSe₄)₂I に Kramers-Weyl フェルミオンが存在し、分光的に同定可能であるか？
• RQ2 N TRIM 点における KW ノード周辺のスピンテクスチャーの性質は何か？ そして、通常のトポロジカルサーフェス状態とはどのように異なるか？
• RQ3 約 260 K で発現するキラル電荷密度波（CDW）秩序の発現と、KW ノード付近の電子構造およびスピンテクスチャーとの相関関係は何か？
• RQ4 ヘリシティ依存性 ARPES は、トポロジカル材料における径方向（KW）と接線方向（TI）のスピンテクスチャーを区別できるか？
• RQ5 対称性およびスピン軌道結合は、キラル結晶における KW フェルミオンの安定化および検出に果たす役割は何か？

主な発見

• ヘリシティ依存性 ARPES を用いて、(TaSe₄)₂I の N TRIM 点に Kramers-Weyl フェルミオンのノードが直接分光的に観測された。
• KW ノード周辺のスピンテクスチャーは、Bi₂Se₃ で観察されるような接線方向のスピンテクスチャーとは異なり、径方向（モノポール型）のパターンを示した。
• 温度依存性 XRD 測定および BCS ギャップフィッティングにより、(TaSe₄)₂I の CDW 転移温度は $T_{\text{CDW}} \sim 260$ K であると特定された。
• ヘリシティ依存性励起下で、KW ノードを貫る光電子強度に明確な非対称性が観察され、スピンテクスチャーのキラル性が確認された。
• 第一原理計算およびタイトバインディング計算により、隣接するパッチに反対のチーン数を持つ KW ノードが存在することが確認され、トポロジカル保護と整合的であった。
• 径方向のスピンテクスチャーと CDW 秩序の相乗的相互作用は、キラル結晶におけるトポロジカル電子構造と電荷秩序との間の結合を示唆している。