[论文解读] A minimal, "hydrogen atom" version of an inversion-breaking Weyl semimetal

Ilya Belopolski, Peng Yu+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 22被引用 5

一句话总结

该论文首次在TaIrTe₄中实验实现了最小反演对称性破缺的外尔半金属，其恰好包含四个外尔点——理论上的最小数量。通过泵浦-探测角分辨光电子能谱（ARPES），作者直接观测到了费米能级以上的外尔锥和拓扑费米弧，证实TaIrTe₄是外尔半金属的‘氢原子’模型体系，具有简化的拓扑物理特性，并在输运和器件应用方面展现出增强潜力。

ABSTRACT

The recent explosion of research interest in Weyl semimetals has led to many proposed Weyl semimetal candidates and a few experimental observations of a Weyl semimetal in real materials. Through this experience, we have come to appreciate that typical Weyl semimetals host many Weyl points. For instance, the first Weyl semimetal observed in experiment, TaAs, hosts 24 Weyl points. Similarly, the Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$ series, recently under study as the first Type II Weyl semimetal, has eight Weyl points. However, it is well-understood that for a Weyl semimetal without inversion symmetry but with time-reversal symmetry, the minimum number of Weyl points is four. Realizing such a minimal Weyl semimetal is fundamentally relevant because it would offer the simplest "hydrogen atom" example of an inversion-breaking Weyl semimetal. At the same time, transport experiments and device applications may be simpler in a system with as few Weyl points as possible. Recently, TaIrTe$_4$ has been predicted to be a minimal, inversion-breaking Weyl semimetal. However, crucially, the Weyl points and Fermi arcs live entirely above the Fermi level, making them inaccessible to conventional angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Here we use pump-probe ARPES to directly access the band structure above the Fermi level in TaIrTe$_4$. We directly observe Weyl points and topological Fermi arcs, showing that TaIrTe$_4$ is a Weyl semimetal. We find that, in total, TaIrTe$_4$ has four Weyl points, providing the first example of a minimal inversion-breaking Weyl semimetal. Our results hold promise for accessing exotic transport phenomena arising in Weyl semimetals in a real material.

研究动机与目标

• 实现具有最少外尔点数量（四个）的外尔半金属，且符合时间反演对称性与破缺反演对称性。
• 克服在TaIrTe₄等候选材料中利用常规ARPES探测费米能级以上外尔态的实验挑战。
• 确立TaIrTe₄作为研究外尔半金属中拓扑费米弧与奇异输运现象的最小、可实验实现的平台。
• 通过直接光谱观测其能带结构与拓扑特征，验证TaIrTe₄中理论预测的外尔半金属行为。

提出的方法

• 采用1.48 eV泵浦脉冲与5.92 eV探测脉冲的泵浦-探测ARPES，重复频率为250 kHz，以探测费米能级以上的电子态。
• 在超高压（<5×10⁻¹¹ Torr）和低温（~8 K）条件下进行测量，以确保高能量与角度分辨率。
• 基于VASP中的投影缀加平面波（PAW）方法进行从头算计算，包含自旋-轨道耦合与GGA交换-关联泛函。
• 利用从Ta d、Ir d和Te p轨道导出的Wannier函数构建第一性原理紧束缚模型，以模拟体相与表面电子结构。
• 采用15×7×7的Monkhorst-Pack k点网格与400 eV截断能进行k空间中电子能带结构的映射。
• 将实验测得的泵浦-探测ARPES谱与第一性原理计算结果进行对比，以确认外尔锥与费米弧的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在实验上实现仅含四个外尔点的外尔半金属，如理论所预测？
• RQ2 泵浦-探测ARPES能否克服常规ARPES在探测外尔半金属中费米能级以上态时的局限性？
• RQ3 在TaIrTe₄中观测到的外尔点与费米弧是否与最小反演对称性破缺外尔半金属的拓扑预测一致？
• RQ4 TaIrTe₄中的费米弧长度与TaAs及MoₓW₁₋ₓTe₂等其他外尔半金属相比，在布里渊区中的覆盖范围如何？

主要发现

• TaIrTe₄恰好包含四个外尔点，证实其为首个实验观测到的最小反演对称性破缺外尔半金属。
• 泵浦-探测ARPES成功探测并直接可视化了TaIrTe₄中位于费米能级以上的外尔锥与拓扑费米弧。
• 观测到的外尔点与费米弧在位置、手性与色散关系上与从头算计算结果高度一致，验证了理论模型。
• TaIrTe₄中的费米弧在布里渊区中覆盖的范围显著大于TaAs与MoₓW₁₋ₓTe₂，表明其具有增强的拓扑表面态。
• TaIrTe₄中外尔点的构型包含两对相反手性的外尔点，符合在时间反演与晶格对称性约束下的最小四点要求。
• 结果证实TaIrTe₄作为外尔半金属的‘氢原子’模型体系，为研究拓扑量子现象提供了简化的平台。