[論文レビュー] Topological Type-II Dirac Fermions Approaching the Fermi Level in a Transition Metal Dichalcogenide NiTe2

Chunqiang Xu, Bin Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遷移金属ジ chalcogenide NiTe2 において、PtSe2 や他の既存材料とは異なり、フェルミ準位に非常に近い位置に配置されたトポロジカル型-IIディラックフェルミオンの発見を報告している。量子振動測定により非自明なベリー位相が観測され、第一原理計算により表面状態にトポロジカルディラックコーンが確認された。これにより、NiTe2 は、非自明なトポロジカルフェルミオンおよびその応用の研究に有望なプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

Type-II Dirac/Weyl semimetals are characterized by strongly tilted Dirac cones such that the Dirac/Weyl node emerges at the boundary of electron and hole pockets as a new state of quantum matter, distinct from the standard Dirac/Weyl points with a point-like Fermi surface which are referred to as type-I nodes. The type-II Dirac fermions were recently predicted by theory and have since been confirmed in experiments in the PtSe2-class of transition metal dichal-cogenides. However, the Dirac nodes observed in PtSe2, PdTe2 and PtTe2 candidates are quite far away from the Fermi level, making the signature of topological fermions obscure as the physical properties are still dominated by the non-Dirac quasiparticles. Here we report the synthesis of a new type-II Dirac semimetal NiTe2 in which a pair of type-II Dirac nodes are located very close to the Fermi level. The quantum oscillations in this material reveal a nontrivial Berry's phase associated with these Dirac fermions. Our first principles calculations further unveil a topological Dirac cone in its surface states. Therefore, NiTe2 may not only represent an improved system to formulate the theoretical understanding of the exotic consequences of type-II Dirac fermions, it also facilitates possible applications based on these topological carriers.

研究の動機と目的

• フェルミ準面から非常に近い位置にディラックノードを有する新しい型-IIディラック半金属を同定・特徴づけること。これは、ノードがフェルミ準面から遠く離れている既存の候補（例：PtSe2）の制限を克服することを目的とする。
• トポロジカルディラックフェルミオンが物理的性質を支配する材料系を確立し、その非自明な量子的挙動を明確に実験的に観測可能にする。
• 高度な分光法および計算的手法を用いて、NiTe2 の電子構造およびトポロジカル性を調査すること。
• トポロジカルキャリアの強固さに基づく、今後の応用可能性を検討すること。

提案手法

• 化学的蒸発輸送法を用いた高品質な単結晶 NiTe2 の合成。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、バルクバンド構造を直接画像化し、フェルミ準面に近い位置にディラックノードが存在することを特定。
• 量子振動測定により、ベリー位相を抽出し、準粒子のトポロジカル性を確認。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子構造を計算し、ディラックコーンの形成を検証するとともに、表面状態を分析。
• フェルミ表面の位相的トポロジーおよびスピンテクスチャーの分析により、強いローレンツ型の傾きを示す型-IIディラックフェルミオンの存在を確認。
• 実験データと理論予測を比較することで、NiTe2 のトポロジカル分類の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ準面に非常に近い位置にディラックノードを有する型-IIディラック半金属を同定できるか。これにより、トポロジカル効果の明確な観測が可能になるか？
• RQ2 NiTe2 における量子振動の性質は何か。非自明なベリー位相が、トポロジカルディラックフェルミオンを示唆するか？
• RQ3 NiTe2 の表面状態は、第一原理計算で予測されたトポロジカルディラックコーンを有するか？
• RQ4 ディラックノードの位置およびトポロジカル的安定性の観点から、NiTe2 の電子構造は PtSe2 クラスの材料とどのように異なるか？
• RQ5 NiTe2 のバルクおよび表面電子状態は、どの程度型-IIディラックフェルミオンの特徴を反映しているか？

主な発見

• NiTe2 のディラックノードはフェルミ準面から15 meV以内に位置しており、PtSe2 や他の既存の型-IIディラック半金属と比較して顕著に近い。
• NiTe2 における量子振動測定により、非自明なベリー位相（約 π）が観測され、準粒子のトポロジカル性が確認された。
• 第一原理計算により、NiTe2 の表面状態にトポロジカルディラックコーンが予測され、観測されたバルクトポロジーや一致した。
• バルクバンド構造は、電子およびホールポケットがノードで接する型-IIディラックフェルミオンに特徴づけられる強い傾きを示すディラックコーンを示している。
• NiTe2 は、非自明なトポロジカル応答を示し、非自明な準粒子の寄与が最小限に抑えられており、フェルミ準面近傍でトポロジカルキャリアが支配的であることが示された。
• ディラックノードがフェルミ準面に非常に近いことから、NiTe2 は、型-IIディラックフェルミオンの研究に新たな優れたプラットフォームとして同定された。