[論文レビュー] Visualizing higher-fold topology in chiral crystals

Tyler A. Cochran, Ilya Belopolski+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、紫外線角分解光電子分光法（ARPES）を用いて、キラルなRhₓNi_ySi結晶においてフェルミアークラダー構造を発見した。これは、エネルギーモーメンタム空間に重ね合わされた2つのキラル表面状態を示しており、多帯ギャップキラル電荷C = (2,2)の実験的同定が得られた。これは、発現的ラダーモチーフを示す新しい種類の高次元トポロジカル量子物質を確立するものである。

ABSTRACT

Novel topological phases of matter are fruitful platforms for the discovery of unconventional electromagnetic phenomena. Higher-fold topology is one example, where the low-energy description goes beyond Standard Model analogs. Despite intensive experimental studies, conclusive evidence remains elusive for the extit{multi-gap topological nature of higher-fold chiral fermions}. In this Letter, we leverage a combination of fine-tuned chemical engineering and photoemission spectroscopy with photon energy contrast to discover the higher-fold topology of a chiral crystal. We identify all bulk branches of a higher-fold chiral fermion for the first time, critically important for allowing us to explore unique Fermi arc surface states in multiple inter-band gaps, which exhibit an emergent ladder structure. Through designer chemical gating of the samples in combination with our measurements, we uncover an unprecedented multi-gap bulk boundary correspondence. Our demonstration of multi-gap electronic topology will propel future research on unconventional topological responses.

研究の動機と目的

• 単一ギャップトポロジカル系を超えた、キラル結晶における高次元トポロジカル構造の実験的探査を目的とする。
• 複数の非自明なバンドギャップを有するキラルフェルミオン材料における多帯ギャップトポロジカル不変量の同定と特性評価を目的とする。
• エネルギーモーメンタム空間に、トポロジカル的に保護された発現的ラダーモチーフとしてのフェルミアークラダーの存在を確立することを目的とする。
• 表面状態マッピングを用いて、RhₓNi_ySi単結晶における多帯ギャップキラル電荷C = (2,2)を特定することを目的とする。
• 複数のバンド間ギャップを有する量子材料における複雑なトポロジカル相の同定に一般的な枠組みを提供することを目的とする。

提案手法

• Advanced Light Sourceのビームライン4.0.3を用いて、紫外線角分解光電子分光法（ARPES）を実施し、電子状態をマッピングした。
• 超高真空下でのAr+イオンスパッタリングおよび熱アニール処理を組み合わせたインサイト処理を実施し、清浄な表面を実現した。
• Si過剰を制御した垂直ブリッジマン法を用いた単結晶成長により、RhₓNi_ySiのフラックス成長を可能にした。
• 化学組成と結晶構造の確認のため、エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）およびX線回折を実施した。
• 電子バンド構造をモデル化するため、17×17×17のkポイントメッシュを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• X線回折データを用いて結晶構造を精緻化し、フラックパラメータ解析を実施して、単一キラルドメインの形成を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の非自明なバンドギャップを有する高次元トポロジカル相は、量子材料において実験的に観察可能か？
• RQ2 多帯ギャップ系におけるキラル表面状態は、エネルギーモーメンタム空間にラダー構造を形成するか？
• RQ3 高次元簡約性を有するキラルフェルミオン材料における多帯ギャップキラル電荷C = (C₁, C₂, ..., Cₙ₋₁) は何か？
• RQ4 1つより多くのバンド間ギャップを有する系において、バルク-境界対応はどのように現れるか？
• RQ5 フェルミアークラダーは、高次元トポロジーのトポロジカル的に保護された特徴として特定可能か？

主な発見

• ARPES測定により、エネルギーモーメンタム空間にラダー構造を形成する2つの明確に異なるキラル表面状態が直接観察された。
• 多帯ギャップキラル電荷は実験的にC = (2,2)と同定され、2つのバンドギャップそれぞれにトポロジカル的に保護されたフェルミアークが2本存在することを示した。
• フェルミアークラダー構造はトポロジカル的に保護されており、物質内の高次元キラルフェルミオン性の直接的結果として発現する。
• 単結晶X線回折により、B型構造が確認され、フラックパラメータが-0.01(11)であったことから、単一キラルドメインであることが示された。
• EDXおよびXRDによる組成分析の精緻化により、Rh₀.₉₅₅Ni₀.₀₄₅Siと特定され、NiがRhサイトに置換した合金組成が確認された。
• 磁化測定により、内在的な反磁性が観察され、磁性不純物や相分離の存在が否定された。