[论文解读] Anisotropic Dirac fermions in a Bi square net of SrMnBi2

J. Park, G. Lee+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 15

一句话总结

本研究通过第一性原理计算、角分辨光电子能谱（ARPES）以及高质量单晶的量子振荡测量，在SrMnBi2的Bi正方网中识别出高度各向异性的狄拉克费米子。该狄拉克锥表现出约8:1的费米速度各向异性比，与石墨烯或拓扑绝缘体中的各向同性狄拉克费米子不同，确立了Bi正方网作为具有可调电子性质的各向异性狄拉克费米子的新平台。

ABSTRACT

We report the highly anisotropic Dirac fermions in a Bi square net of SrMnBi2, based on a first principle calculation, angle resolved photoemission spectroscopy, and quantum oscillations for high-quality single crystals. We found that the Dirac dispersion is generally induced in the (SrBi)+ layer containing a double-sized Bi square net. In contrast to the commonly observed isotropic Dirac cone, the Dirac cone in SrMnBi2 is highly anisotropic with a large momentum-dependent disparity of Fermi velocities of ~ 8. These findings demonstrate that a Bi square net, a common building block of various layered pnictides, provide a new platform that hosts highly anisotropic Dirac fermions.

研究动机与目标

• 识别并表征层状砷化物SrMnBi2中的狄拉克费米子，特别是其Bi正方网结构中的狄拉克费米子。
• 研究Bi正方网——层状砷化物中常见的结构基元——是否可容纳具有各向异性色散的狄拉克费米子。
• 利用多种实验与理论方法，确定SrMnBi2中狄拉克费米子的电子结构及其费米速度各向异性。
• 探索SrMnBi2及其类似化合物作为具有磁性或超导序耦合的各向异性狄拉克费米子可调平台的潜力。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）下的全势线性化缀加平面波（FP-LAPW）方法进行第一性原理计算，以模拟电子能带结构。
• 在UVSOR光束线7U使用24 eV光子进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，实验在解理单晶上于超高真空（<7×10⁻¹¹ Torr）条件下进行。
• 在德累斯顿高磁场实验室（最高63 T）和美国国家高磁场实验室（NHMFL，最高33 T）进行6探针磁电输运测量，以实现高磁场下的量子振荡测量。
• 分析舒布尼克夫-德哈斯（SdH）振荡，以提取费米面横截面积、有效质量、散射时间及贝里相位。
• 利用昂萨格关系（F = (Φ₀/2π²)Aₖ）从量子振荡频率确定费米面横截面积。
• 通过SdH扇形图分析，从1/Bₙ与朗道能级序数n的截距中提取贝里相位，非零截距表明存在狄拉克费米子。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrMnBi2中的Bi正方网是否容纳具有各向异性色散的狄拉克费米子？若存在，其费米速度的各向异性程度如何？
• RQ2 哪些实验证据证实了SrMnBi2中狄拉克费米子的存在，特别是非零贝里相位和量子振荡？
• RQ3 SrMnBi2的电子结构与石墨烯等各向同性狄拉克材料相比有何不同，特别是在能带色散和费米速度各向异性方面？
• RQ4 通过碱土金属或pnictogen元素的化学替代，是否可调控SrMnBi2中各向异性狄拉克锥的性质？MnBi层中的磁序如何影响狄拉克态？
• RQ5 （SrBi)+层和双倍尺寸的Bi正方网在稳定各向异性狄拉克锥中起什么作用？

主要发现

• SrMnBi2中的狄拉克锥表现出显著的动量依赖性费米速度各向异性，最大与最小v_F之比≈8，表明存在高度各向异性的狄拉克费米子。
• ARPES测量证实Bi正方网中存在线性能量色散，狄拉克点位于布里渊区的Γ点。
• 量子振荡测量揭示单一费米面口袋，振荡频率F = 152(5) T，对应横截面积Aₖ = 1.45(5) nm⁻²，约占布里渊区的0.7%。
• 测得的轨道有效质量为m_c = 0.29(2)mₑ，散射时间为τ = 3.5(5)×10⁻¹⁴ s⁻¹，计算得迁移率约为250 cm²/Vs。
• SdH扇形图显示n = -0.40(9)处存在非零截距，得出贝里相位为0.5，证实了具有非平凡拓扑特性的狄拉克费米子存在。
• 低有效质量、高迁移率及非零贝里相位的结合，确立了SrMnBi2为一种具有Bi正方网中各向异性狄拉克费米子的体态狄拉克材料。