[论文解读] A new form of (unexpected) Dirac fermions in the strongly-correlated cerium monopnictides

Nasser Alidoust, A. Alexandradinata+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 9被引用 17

一句话总结

本研究报告在强关联的铈单pnictides（CeX，X = Bi, Sb）中发现了一种新型的稳定、四重简并的狄拉克费米子，其源于奇数个高对称点处的体态能带反转。尽管缺乏对称性保护且杂化效应可忽略不计，这些狄拉克费米子在磁相变过程中仍保持稳定，揭示了一种与传统拓扑绝缘体和石墨烯不同的新型拓扑机制。

ABSTRACT

Discovering Dirac fermions with novel properties has become an important front in condensed matter and materials sciences. Here, we report the observation of unusual Dirac fermion states in a strongly-correlated electron setting, which are uniquely distinct from those of graphene and conventional topological insulators. In strongly-correlated cerium monopnictides, we find two sets of highly anisotropic Dirac fermions that interpenetrate each other with negligible hybridization, and show a peculiar four-fold degeneracy where their Dirac nodes overlap. Despite the lack of protection by crystalline or time-reversal symmetries, this four-fold degeneracy is robust across magnetic phase transitions. Comparison of these experimental findings with our theoretical calculations suggests that the observed surface Dirac fermions arise from bulk band inversions at an odd number of high-symmetry points, which is analogous to the band topology which describes a $\mathbb{Z}_{2}$-topological phase. Our findings open up an unprecedented and long-sought-for platform for exploring novel Dirac fermion physics in a strongly-correlated semimetal.

研究动机与目标

• 研究强关联铈单pnictides（CeX，X = Bi, Sb）的电子结构，以探索奇异的狄拉克费米子态。
• 确定狄拉克费米子是否可在缺乏传统对称性保护的强关联体系中出现。
• 探讨在载流子密度低且电子关联性强的材料中，稳定且不发生杂化的狄拉克费米子的拓扑起源。
• 将实验观测到的四重简并狄拉克节点与能带拓扑的理论模型相协调。
• 提出一种研究关联半金属中狄拉克费米子物理的新平台，可能重新诠释以往对CeX材料的研究。

提出的方法

• 在先进光源（ALS）和斯坦福同步辐射光源（SSRL）进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，光子能量范围为8–100 eV。
• 在超高压环境（<5×10⁻¹¹ torr）下于10 K条件下对单晶进行原位解理，确保表面洁净，以实现高分辨率的电子结构测量。
• 采用VASP进行第一性原理计算，使用GGA和PAW方法，并将自旋轨道耦合作为第二变分步骤引入。
• 采用厚度约6 nm的CeX薄膜模型和大于15 Å的真空间距，模拟（001）表面态，以探测表面能带色散。
• 将三价Ce的f电子视为内层电子，几何优化采用12×12×12的k点网格对布里渊区进行采样。
• 理论分析聚焦于高对称点（如Γ、M）处的能带反转，将观测到的狄拉克节点与负间接带隙体系中的Z₂类拓扑不变量联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏时间反演对称性或晶格对称性保护的情况下，强关联材料中是否可能存在稳定且不发生杂化的狄拉克费米子？
• RQ2 在CeX材料中，为何在相同动量位置观测到四重简并的狄拉克节点？其拓扑起源是什么？
• RQ3 在奇数个高对称点处的体态能带反转如何导致CeX中的拓扑表面态？
• RQ4 为何狄拉克费米子在杂化效应可忽略不计的情况下，仍能在磁相变过程中保持稳定？
• RQ5 通过压力或合金化等调控参数，是否可实验分辨在Γ点处预测的第三个表面狄拉克锥？

主要发现

• 在CeBi和CeSb中观测到两种高度各向异性的狄拉克费米子，其杂化效应可忽略不计，且在相同动量位置相互穿插。
• 狄拉克节点表现出稳定的四重简并，即使在缺乏时间反演或晶格对称性保护的情况下，该简并也持续存在于磁相变过程中。
• 观测到的表面狄拉克费米子源于奇数个高对称点处的体态能带反转，类似于Z₂拓扑相。
• 第一性原理计算证实，表面态通过一种与传统拓扑绝缘体或拓扑晶格绝缘体不同的机制实现拓扑保护。
• 理论预测在Γ点存在第三个表面狄拉克锥，但被体态能带掩盖，可能通过外部调控（如压力或合金化）得以揭示。
• 提出开展自旋分辨测量以确证在晶格对称性下的拓扑性质，研究结果提示需基于这些狄拉克态重新评估以往对CeX材料的研究。