[论文解读] Magneto-infrared spectroscopy of Landau levels and Zeeman splitting of three-dimensional massless Dirac Fermions in ZrTe$_5$

R. Y. Chen, Zhiguo Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 15

一句话总结

本研究利用磁光红外光谱技术，研究了三维狄拉克半金属 ZrTe₅ 中的朗道能级与塞曼分裂。结果表明，ZrTe₅ 在极低磁场（约 1 T）下即表现出朗道能级跃迁与自旋分裂，揭示了塞曼分裂的直接光谱特征，证实了该体系演化为线节点半金属，确立其作为研究三维狄拉克费米子与拓扑相变的理想平台。

ABSTRACT

We present a magneto-infrared spectroscopy study on a newly identified three-dimensional (3D) Dirac semimetal ZrTe$_5$. We observe clear transitions between Landau levels and their further splitting under magnetic field. Both the sequence of transitions and their field dependence follow quantitatively the relation expected for 3D \emph{massless} Dirac fermions. The measurement also reveals an exceptionally low magnetic field needed to drive the compound into its quantum limit, demonstrating that ZrTe$_5$ is an extremely clean system and ideal platform for studying 3D Dirac fermions. The splitting of the Landau levels provides a direct and bulk spectroscopic evidence that a relatively weak magnetic field can produce a sizeable Zeeman effect on the 3D Dirac fermions, which lifts the spin degeneracy of Landau levels. Our analysis indicates that the compound evolves from a Dirac semimetal into a topological line-node semimetal under current magnetic field configuration.

研究动机与目标

• 利用磁光红外光谱探测外加磁场下 ZrTe₅ 的电子结构。
• 在三维狄拉克半金属中识别朗道能级量子化与自旋简并性解除的特征。
• 确定系统达到量子极限所需的磁场强度，并评估其洁净度。
• 研究外加磁场下从狄拉克半金属向线节点或外尔半金属的拓扑相变。
• 为三维无质量狄拉克费米子中的塞曼分裂提供直接体相光谱证据。

提出的方法

• 在高达 12 T 的磁场下，对单晶 ZrTe₅ 进行磁光红外反射率光谱测量。
• 通过分析归一化反射率 R(B)/R(0)，识别对应于不同朗道能级间跃迁的磁场诱导峰。
• 利用包含塞曼分裂的三维无质量狄拉克费米子朗道能级理论模型，解释峰位与分裂特征。
• 通过拟合朗道能级分裂能量随磁场的变化关系，提取有效 g 因子并评估自旋简并性解除程度。
• 应用相同或相反手性的朗道能级间光学跃迁选择定则，对峰的归属进行判定。
• 将观测到的峰序与磁场依赖关系与三维狄拉克费米子及线节点半金属模型的理论预测进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZrTe₅ 中的朗道能级跃迁是否表现出与三维无质量狄拉克费米子一致的量子化能级间距？
• RQ2 ZrTe₅ 在何种磁场强度下达到其量子极限？这对其载流子密度与体系纯净度有何含义？
• RQ3 最低能级峰的四重分裂是否为塞曼分裂与自旋简并性解除的直接证据？
• RQ4 观测到的塞曼分裂是否指示了从狄拉克半金属向线节点或外尔半金属的拓扑相变？
• RQ5 从塞曼分裂中提取的有效 g 因子是多少？其与理论预期相比如何？

主要发现

• 在仅 1 T 的磁场下即可观测到的首个反射率峰，对应于 n=0 与 n=1 朗道能级间的跃迁，表明费米能级非常接近狄拉克点。
• 该体系在约 1 T 时达到其量子极限，表明其残余载流子密度极低且样品洁净度极高。
• 最低能级峰在外加磁场下分裂为四个独立组分，为塞曼分裂与自旋简并性解除提供了直接证据。
• 两个最强峰之间的能量分裂（E₄ - E₂）随磁场线性增加，斜率为 ~10.5 cm⁻¹/T（~1.3 meV/T），与塞曼耦合一致。
• 较弱峰之间的分裂（E₃ - E₁）也随磁场线性增加，斜率为 ~7.4 cm⁻¹/T（~0.92 meV/T），对应估算的 g 因子分别为 22.5 和 15.8。
• 理论分析表明，在当前磁场构型下，线节点半金属相更符合实验结果，而非外尔半金属相。