[論文レビュー] Observation of linearly dispersive edge modes in a magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2

Sean Howard, Lin Jiao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル分光法と理論的モデリングを用いて、磁性ウェイル半金属Co3Sn2S2において線形分散性を示すキラルなエッジモードを実証した。著者らは、露出したカグラム面に局在化するハイブリッド化されたエッジ状態を特定し、より高温での量子異常ホール効果実現に向けた頑丈なプラットフォームを提供した。

ABSTRACT

The physical realization of Chern insulators is of fundamental and practical interest, as they are predicted to host the quantum anomalous Hall effect (QAHE) and topologically protected chiral edge states which can carry dissipationless current. The realization of the QAHE state has however been challenging because of the complex heterostructures and sub-Kelvin temperatures required. Time-reversal symmetry breaking Weyl semimetals, being essentially stacks of Chern insulators with inter-layer coupling, may provide a new platform for the higher temperature realization of robust QAHE edge states. In this work we present a combined scanning tunneling spectroscopy and theoretical investigation of a newly discovered magnetic Weyl semimetal, Co3Sn2S2. Using modeling and numerical simulations we find that chiral edge states can be localized on partially exposed Kagome planes on the surface of a Weyl semimetal. Correspondingly, our STM dI/dV maps on narrow kagome Co3Sn terraces show linearly dispersing quantum well like states, which can be attributed to hybridized chiral edge modes. Our experiment and theory results suggest a new paradigm for studying chiral edge modes in time-reversal breaking Weyl semimetals. More importantly, this work leads a practical route for realizing higher temperature QAHE.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性が破れたウェイル半金属に、トポロジカル的に保護されたキラルエッジ状態が存在するかを調査すること。
• Co3Sn2S2の表面に露出したカグラム面が、その固有の磁性秩序によって頑健なエッジモードを有するかどうかを調査すること。
• 高温での量子異常ホール効果実現に寄与する可能性があるキラルエッジ状態について、実験的および理論的証拠を提供すること。
• 複雑なヘテロ構造や低温条件を必要としない、ウェイル半金属におけるエッジ状態を研究するための新しいプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 露出したカグラム面を有する原子的に平坦なCo3Sn2S2テラスにおける走査トンネル分光法（STS）の実施。
• 局所状態密度をdI/dVマップにより測定し、フェルミ準位付近の分散性エッジ状態を同定。
• タイトバインディングモデリングおよび数値シミュレーションを用いて、観測された電子構造を再現。
• 部分的に露出したカグラム層におけるキラルエッジモードのハイブリッド化を分析し、線形分散を説明。
• 対称性およびトポロジカル解析を用いて、観測されたエッジ状態とウェイル半金属のバルクトポロジーを結びつける。
• 実験的STSデータとシミュレートされたエッジ状態分散を比較し、モードのキラル性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性ウェイル半金属Co3Sn2S2において、キラルエッジ状態を実験的に観測できるか？
• RQ2 Co3Sn2S2の表面に露出したカグラム面が、トポロジカル的保護によって線形分散性エッジモードを有するか？
• RQ3 層間結合および表面終着が、エッジ状態の形成および分散にどのように影響するか？
• RQ4 観測されたエッジ状態は、隣接する表面層からのキラルモードのハイブリッド化に起因するか？
• RQ5 Co3Sn2S2は、上昇温度での量子異常ホール効果実現にどの程度の可能性を有するか？

主な発見

• Co3Sn2S2の狭いカグラムテラスにおいて、dI/dVマップで線形分散性エッジモードが観測され、トポロジカル的に保護されたキラル状態を示した。
• エッジ状態は線形分散関係を示し、表面境界に沿って伝播するキラルフェルミオンと整合的であった。
• 理論的モデリングにより、これらのモードが部分的に露出したカグラム面に局在化したキラルエッジ状態のハイブリッド化に起因することが確認された。
• 観測されたエッジ状態は、測定領域においてバルク状態とのハイブリッド化の兆候がなく、頑健かつ表面に局在化していた。
• この系は、時間反転対称性が破れたウェイル半金属の予測と一致する線形分散を持つキラルエッジチャネルを支持している。
• 結果から、複雑なヘテロ構造を必要とせず、バルク磁性ウェイル半金属で量子異常ホール効果を実現する道筋が示唆された。