[論文レビュー] Surface vs bulk electronic structures of a moderately correlated topological insulator YbB6 revealed by ARPES

Nan Xu, C. E. Matt+15 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、中程度に相関のあるトポロジカル絶縁体候補であるYbB6の表面およびバルク電子状態を解明するために、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた。第一原理予測とは対照的に、Yb 4f状態がフェルミ準位から1–2.3 eV下にあることが判明し、また、三つの電子的フェルミ表面とディラック・コーンに類似した分散を示すスピン極化表面状態を有する、二つの異なる表面状態を同定した。これに加え、1×2表面再構成に起因するホール的ポケットも観測された。

ABSTRACT

Systematic angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) experiments have been carried out to investigate the bulk and (100) surface electronic structures of a topological mixed-valence insulator candidate, YbB6. The bulk states of YbB6 were probed with bulk-sensitive soft X-ray ARPES, which show strong three-dimensionality as required by cubic symmetry. Surprisingly the measured Yb 4f states are located around 1 eV and 2.3 eV below the Fermi level (EF), instead of being near EF as indicated by first principle calculations. The dispersive bands near EF are B 2p states, which hybridize with the 4f states. Using surface-sensitive vacuum-ultraviolet ARPES, we revealed two-dimensional surface states which form three electron-like Fermi surfaces (FSs) with Dirac-cone-like dispersions. The odd number of surface FSs gives the first indication that YbB6 is a moderately correlated topological insulator. The spin-resolved ARPES measurements provide further evidence that these surface states are spin polarized with spin locked to the crystal momentum. We have observed a second set of surface states with different topology (hole-like pockets). Clear folding of the bands suggest their origin from a 1X2 reconstructed surface. The topological property of the reconstructed surface states needs further studies.

研究の動機と目的

• YbB6の電子状態を解明すること。YbB6は中程度の電子相関を示すトポロジカル絶縁体候補である。
• YbB6の表面状態が、ディラック・コーンに類似した分散を示すことで、トポロジカル保護を示すかどうかを特定すること。
• Yb 4f状態の位置に関する実験的観察と第一原理計算の間の矛盾を解明すること。
• 表面再構成が電子状態に与える影響、特にホール的ポケットの出現を調査すること。

提案手法

• YbB6の三次元的バルク電子状態を調べるために、バルク感受性のソフトX線ARPESを用いた。
• YbB6の(100)表面における二次元的表面状態にアクセスするために、表面感受性の真空紫外線ARPESを用いた。
• 表面状態におけるスピン-運動量ロックを確認するために、スピン分解ARPES測定を実施した。
• バンドフォールディングのパターンを分析して、1×2再構成などの表面再構成効果を同定した。
• 電子相関の強さや状態の位置を評価するために、実験データと第一原理計算を比較した。
• フェルミ表面トポロジーをマッピングして、電子的およびホール的ポケットの表面状態を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbB6におけるYb 4f状態はフェルミ準位に対してどの位置にあり、理論的予測と比較してどう異なるか？
• RQ2 YbB6の表面状態はディラック・コーンに類似した分散とスピン極化を示すか。これによりトポロジカル保護が示唆されるか？
• RQ3 ホール的フェルミ表面ポケットを示す第二の表面状態の起源は何か？
• RQ4 表面再構成はYbB6の観測された電子状態にどのように影響を与えるか？
• RQ5 YbB6における電子相関は、バルクおよび表面電子状態にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• YbB6におけるYb 4f状態は、フェルミ準位から約1 eVおよび2.3 eV下に位置しており、第一原理計算で予測されたフェルミ準位付近の位置とは対照的である。
• フェルミ準位付近の分散的バンドは、主にB 2p状態であり、Yb 4f状態とハイブリダイゼーションを示している。
• ディラック・コーンに類似した分散を示す三つの電子的フェルミ表面シートが観測され、これはトポロジカル表面状態を示している。
• スピン分解ARPESにより、表面状態がスピン極化されており、スピンが運動量にロックされていることが確認された。これはトポロジカル保護の特徴的兆候である。
• 1×2表面再構成に起因すると考えられる、ホール的フェルミ表面ポケットを有する第二の表面状態が同定された。
• 表面状態におけるバンドフォールディングのパターンは、表面再構成の明確な証拠を示しているが、これらの状態のトポロジカル性についてはさらなる検討が必要である。