[論文レビュー] Type-III Weyl Semimetals and its Materialization

Xiaoping Li, Ke Deng+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2つの電子または2つのホールポケットを有するマルチ・ウェイリ点を特徴とする、新しいウェイリ半金属のクラス、タイプ-IIIを提案する。この特性は準一次元化合物 (TaSe4)2I において実証された。第一原理計算および角度分解光電子分光法により、そのギャップレスな性質、四重の螺旋的表面状態、および歪み誘発のリフシッツ遷移によるトポロジカル位相の調整可能性が確認された。

ABSTRACT

Weyl semimetals have been classified into type-I and type-II with respect to the geometry of their Fermi surfaces at the Weyl points. Here, we propose a new class of Weyl semimetal, whose unique Fermi surface contains two electron or two hole pockets touching at a multi-Weyl point, dubbed as type-III Weyl semimetal. Based on first-principles calculations, we first show that quasi-one-dimensional compound (TaSe4)2I is a type-III Weyl semimetal with larger chiral charges. (TaSe4)2I can support four-fold helicoidal surface states with remarkably long Fermi arcs on the (001) surface. Angle-resolved photoemission spectroscopy measurements are in agreement with the gapless nature of (TaSe4)2I at room temperature and reveal its characteristic dispersion. In addition, our calculations show that external strain could induce topological phase transitions in (TaSe4)2I among the type-III, type-II, and type-I Weyl semimetals, accompanied with the Lifshitz transitions of the Fermi surfaces. Therefore, our work first experimentally indicates (TaSe4)2I as a type-III Weyl semimetal and provides a promising platform to further investigate the novel physics of type-III Weyl fermions.

研究の動機と目的

• タイプ-Iおよびタイプ-IIとは異なる、新しいトポロジカル位相の物質—タイプ-IIIウェイリ半金属—を同定および特徴付けること。
• (TaSe4)2I がより大きなチラル電荷を持つマルチ・ウェイリ点を有することを示し、特異な表面状態を可能にすること。
• 室温での角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、物質のトポロジカル性を実験的に検証すること。
• 外部の歪みを用いた場合に、(TaSe4)2I におけるタイプ-I、II、IIIウェイリ半金属間のトポロジカル位相遷移を探索すること。

提案手法

• (TaSe4)2I の電子バンド構造およびトポロジカル不変量を求めるために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• ウェイリ点におけるフェルミ面トポロジーやチラル電荷の分析により、物質がタイプ-IIIに分類されることを確認する。
• (001)表面における表面状態のシミュレーションを行い、四重の螺旋的フェルミアークの存在を予測する。
• 計算されたバンド分散と実験的角分解光電子分光法（ARPES）データを比較し、ギャップレスな表面状態の確認を行う。
• DFT計算に歪みを導入し、リフシッツ遷移およびトポロジカル位相境界を調査する。
• チェーン数およびウェイリ点解析を用いたトポロジカル特徴付けにより、マルチ・ウェイリフェルミオンの存在を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイリ半金属が、2つの電子または2つのホールポケットを有するマルチ・ウェイリ点を有し、新たなトポロジカルクラスを形成しうるか？
• RQ2 (TaSe4)2I は、そのタイプ-IIIウェイリ性に起因して、拡張されたフェルミアークを有する四重の螺旋的表面状態を示すか？
• RQ3 室温での角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、(TaSe4)2I のギャップレス性が実験的に検証可能か？
• RQ4 外部の歪みが、(TaSe4)2I においてタイプ-I、II、IIIウェイリ半金属間のトポロジカル位相遷移を誘発できるか？
• RQ5 フェルミ面トポロジーの変化（リフシッツ遷移）が、歪みで調整されるトポロジカル遷移において果たす役割は何か？

主な発見

• 化合物 (TaSe4)2I は、2つの電子または2つのホールポケットを有するマルチ・ウェイリ点を有するタイプ-IIIウェイリ半金属であると同定された。
• 第一原理計算により、従来のウェイリ半金属と比較して、(TaSe4)2I により大きなチラル電荷が存在することが確認された。
• (TaSe4)2I の (001) 表面に、顕著に長いフェルミアークを有する四重の螺旋的表面状態が予測された。
• 角度分解光電子分光法測定により、(TaSe4)2I が室温でギャップレスであることが確認された。
• 実験的ARPESデータは理論予測と一致し、タイプ-IIIウェイリフェルミオンに特徴的な分散が観測された。
• 外部の歪みにより、タイプ-I、II、IIIウェイリ半金属間のトポロジカル位相遷移が誘発され、フェルミ面トポロジーにおけるリフシッツ遷移が伴った。