[論文レビュー] Parallel spin-momentum locking in a chiral topological semimetal

Jonas A. Krieger, Samuel Stolz+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、キラルなトポロジカル半金属PtGaのΓ点におけるRarita-Schwinger多重フェルミオンにおける並進スピン運動量ロックインの実験的証明を提供している。スピンおよび角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた結果、フェルミ面弧表面状態のスピン構造—電子スピンがフェルミ面の輪郭に対して垂直に整列している—は、バルクの多重フェルミオンが厳密に並進スピン運動量ロックインを示していることを確認した。これは、スピントロニクスおよび相関する量子物質に影響を及ぼす長年にわたって未解決であった現象である。

ABSTRACT

Spin-momentum locking in solids describes a directional relationship between the electron's spin angular momentum and its linear momentum over the entire Fermi surface. While orthogonal spin-momentum locking, such as Rashba spin-orbit coupling, has been studied for decades and inspired a vast number of applications, its natural counterpart, the purely parallel spin-momentum locking, has remained elusive in experiments. Recently, chiral topological semimetals that host single- and multifold band crossings have been predicted to realize such parallel locking. Here, we use spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy to probe spin-momentum locking of a multifold fermion in the chiral topological semimetal PtGa via the spin-texture of its topological Fermi-arc surface states. We find that the electron spin of the Fermi-arcs points orthogonal to their Fermi surface contour for momenta close to the projection of the bulk multifold fermion, which is consistent with parallel spin-momentum locking of the latter. We anticipate that our discovery of parallel spin-momentum locking of multifold fermions will lead to the integration of chiral topological semimetals in novel spintronic devices, and the search for spin-dependent superconducting and magnetic instabilities in these materials.

研究の動機と目的

• 多重量フェルミオンにおける並進スピン運動量ロックインの実験的証明。これは、物性系において長年にわたって理論的に予想されてきたが観測されていなかった現象である。
• S = 3/2のRarita-Schwingerフェルミオンを有するキラルなトポロジカル半金属PtGaにおける表面状態のスピン構造を調査し、バルクスピン運動量ロックインを推定するためのプロキシとして用いる。
• 観測されたスピン極化が電子状態の固有の性質であることを確認し、光電子効果の行列要素や実験的幾何学的要因に起因するものではないことを検証する。
• キラル材料における縦方向磁気電気効果および非摂動的超伝導に、並進スピン運動量ロックインが及える影響を検討する。

提案手法

• 60 eVの円偏光光を用いてPtGaの(001)表面でスピンおよび角度分解光電子分光法（スピン-ARPES）を実施し、表面状態のスピン構造を測定した。
• 密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理計算を実施し、多重量フェルミオンの三次元的スピン構造を計算し、実験データと比較した。
• 光子エネルギーおよび光の偏光を変化させることで、観測されたスピン極化が行列要素効果に起因するものでないことを裏付け、初期状態波動関数由来であることを確認した。
• 相反する相反性表面での測定を実施し、スピンの擬スカラー変換性を確認することで、スピン構造の固有性を裏付けた。
• 高対称性方向（Γ–R）に沿ってスピン構造をマッピングし、高対称点から離れた領域でも、k·p近似の有効範囲外におけるロックインの頑健性を評価した。
• 複数の運動量方向における面内スピン極化の非対称性を分析し、フェルミ面輪郭に対してスピンがどれほど接線方向に整列しているかを定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PtGaにおけるRarita-Schwinger多重量フェルミオンは、理論で予測されたように、厳密に並進スピン運動量ロックインを示すか？
• RQ2 フェルミ面弧表面状態のスピン構造は、バルク多重量フェルミオンのスピン運動量ロックインを正確に反映しているか？
• RQ3 観測されたスピン極化は電子状態の固有性質であるか、光電子効果の行列要素に起因するものか？
• RQ4 k·p近似が破綻する高対称点から離れた領域でも、フェルミ面弧のスピン構造がフェルミ面輪郭に接線方向に保たれるのはなぜか？
• RQ5 並進スピン運動量ロックインは、キラルトポロジカル材料における縦方向磁気電気効果および非摂動的超伝導にどのような影響を及えるか？

主な発見

• PtGaのΓ点近傍における外側および内側のフェルミ面弧のスピン構造は、フェルミ面輪郭に対して垂直に整列した面内スピン極化を示しており、外側の弧ではkyに対して反平行に、内側の弧ではkyに対して平行に極化している。
• フェルミ面弧の測定されたスピン構造は、第一原理計算と良好に一致しており、Γ点におけるバルク多重量フェルミオンが並進スピン運動量ロックインを示していることを確認した。
• 高対称点から離れたΓ–R方向に沿っても、スピン構造はフェルミ面輪郭に接線方向に保たれているため、ロバストで非局所的なスピン運動量ロックイン機構であることが示された。
• 光子エネルギーおよび偏光の系統的変化により、観測されたスピン極化が初期状態波動関数由来の固有性質であることが確認され、行列要素効果に起因するものではないことが裏付けられた。
• 反対の相反性表面での測定により、スピン極化の予想される反転が確認され、空間反転下でのスピンの擬スカラー変換性と整合的であった。
• 本発見により、PtGaが等方的縦方向磁気電気効果のプラットフォームであることが確立され、新規スピントロニクス素子および特異的超伝導相への可能性を示唆した。