[論文レビュー] Tunable Weyl Points in Periodically Driven Nodal Line Semimetals

Zhongbo Yan, Zhong Wang|arXiv (Cornell University)|May 14, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、円偏光光の周期的駆動を受けるノードライン半金属（NLSM）が、フロケット工学を用いて制御可能なウェイル点を有することを提案している。光の作用により、ノードラインからウェイル半金属へのトポロジカルな相転移が誘発され、頑健で制御可能なウェイル点と、大きな可変な異常ホール伝導度が生成される。実験的検出は、輸送測定またはポンププローブARPESによって可能である。

ABSTRACT

Weyl semimetals and nodal line semimetals are characterized by linear band touching at zero-dimensional points and one-dimensional lines, respectively. We predict that a circularly polarized light drives nodal line semimetals into Weyl semimetals. The Floquet Weyl points thus obtained are tunable by the incident light, which enables investigations of them in a highly controllable manner. The transition from nodal line semimetals to Weyl semimetals is accompanied by the emergence of a large and tunable anomalous Hall conductivity. Our predictions are experimentally testable by transport measurement in film samples or by pump-probe angle-resolved photoemission spectroscopy.

研究の動機と目的

• 周期的駆動下におけるノードライン半金属（NLSM）からウェイル半金属（WSM）へのトポロジカル相転移を調査すること。
• 円偏光光（CPL）にさらされたNLSMにおいて、可変なウェイル点の出現を検討すること。
• 得られるフロケットWSM相における大きな可変な異常ホール伝導度（AHC）の生成を示すこと。
• 輸送測定またはARPESを用いた光誘発ウェイル点およびフェルミループの実験的検出可能性を示唆すること。
• 光の偏光および強度を用いてNLSMのトポロジカル性質を制御するフレームワークを確立すること。

提案手法

• ゼロエネルギーにおけるノードリングを有するスピンなしNLSMのための二バンド有効ハミルトニアンを用い、$\mathcal{H}({\bf k}) = (m - Bk^2)\tau_x + v k_z \tau_z + \epsilon_0({\bf k})\tau_0$ で記述する。
• 回転波近似を用いてフロケット形式を適用し、時間周期的摂動を導入することで、有効ハミルトニアンが $\mathcal{H}_{\rm eff}({\bf k}) = \mathcal{H}({\bf k}) + \lambda k_y \tau_y$ に変化することを示す。
• 有効ハミルトニアンを回転波近似のもとで導出し、ノードリングがエネルギーガップを示し、有限運動量で4つのウェイル点に分裂することを示す。
• ウェイル点の位置が光強度および偏光にどのように依存するかを分析し、レーザーのヘリシティと振幅を変化させることで、その位置を自由に制御できることを示す。
• 現実的なNLSMをモデル化するため、スピン軌道相互作用（SOC）を小さな摂動として導入し、ウェイル点生成のための閾値レーザー強度を示す。
• ZrSiSを候補材料として用い、実際の条件下での透過深さ、ホール電圧、ARPES検出可能性を計算することで、実験的妥当性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光光はノードライン半金属をウェイル半金属相に駆動できるか？
• RQ2 得られるウェイル点の位置と性質は、入射光によってどのように制御されるか？
• RQ3 光誘発ウェイル相における異常ホール伝導度の大きさと可変性はどの程度か？
• RQ4 光誘発フェルミループは、元のNLSMのドラムヘッド表面状態の傾きとして理解できるか？
• RQ5 小さな固有のスピン軌道相互作用ギャップを有するNLSMにおいて、ウェイル点を生成するために必要な閾値レーザー強度は何か？

主な発見

• 円偏光光により、ノードライン半金属がフロケットウェイル半金属相に駆動され、ノードリングが4つのウェイル点にギャップを開けて分裂する。
• ウェイル点は非常に可変である：入射光の偏光および強度を変更することで、その位置を自由に調整可能である。
• 大きな異常ホール伝導度が生成され、低温では光強度に依存しなくなるが、光のヘリシティを反転させると符号が反転する。
• フロケットWSMにおけるフェルミループは、元のNLSMのドラムヘッド表面状態の傾きに起因し、幾何的解釈が可能である。
• ZrSiSでは、100 nm 厚の膜に100 mA の電流を流し、120 meV の円偏光光を照射することで、約1 mV の測定可能なホール電圧が得られる。
• 光誘発フェルミループの速度は、バルクフェルミ速度のおよそ10%に達し、ポンププローブARPES実験で検出可能である。