[论文解读] Anomalies in the temperature evolution of the Dirac states in a topological crystalline insulator SnTe

Ayanesh Maiti, Ram Prakash Pandeya+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 9

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）和第一性原理DFT计算，探究了拓扑晶体绝缘体SnTe中狄拉克表面态的温度依赖性异常。研究发现，体态能带和狄拉克锥斜率随温度呈现非单调变化，归因于复杂的杂化作用和能带反转变化，同时费米能级附近的狄拉克态强度因随温度演变的非谐振动和应变而急剧降低，挑战了传统认为拓扑材料在热效应下具有鲁棒性的假设。

ABSTRACT

Discovery of topologically protected surface states, believed to be immune to weak disorder and thermal effects, opened up a new avenue to reveal exotic fundamental science and advanced technology. While time-reversal symmetry plays the key role in most such materials, the bulk crystalline symmetries such as mirror symmetry preserve the topological properties of topological crystalline insulators (TCIs). It is apparent that any structural change may alter the topological properties of TCIs. To investigate this relatively unexplored landscape, we study the temperature evolution of the Dirac fermion states in an archetypical mirror-symmetry protected TCI, SnTe employing high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory studies. Experimental results reveal a perplexing scenario; the bulk bands observed at 22 K move nearer to the Fermi level at 60 K and again shift back to higher binding energies at 120 K. The slope of the surface Dirac bands at 22 K becomes smaller at 60 K and changes back to a larger value at 120 K. Our results from the first-principles calculations suggest that these anomalies can be attributed to the evolution of the hybridization physics with complex structural changes induced by temperature. In addition, we discover drastically reduced intensity of the Dirac states at the Fermi level at high temperatures may be due to complex evolution of anharmonicity, strain, etc. These results address robustness of the topologically protected surface states due to thermal effects and emphasize importance of covalency and anharmonicity in the topological properties of such emerging quantum materials.

研究动机与目标

• 研究拓扑晶体绝缘体（TCIs）中拓扑保护表面态的热稳定性，特别是SnTe体系。
• 确定温度诱导的结构变化如何影响狄拉克费米子态和拓扑保护特性。
• 探讨共价性、非谐振动和应变在调制量子材料拓扑性质中的作用。
• 解决费米能级附近能带色散和谱强度温度演化中的矛盾现象。

提出的方法

• 在21.2 eV光子能量下，采用能量分辨率达5 meV的高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）。
• 使用闭路氦制冷机将样品温度从22 K调节至120 K。
• 利用VASP软件进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，采用GGA-PBE泛函和PAW势。
• 通过轨道分辨能带结构和部分态密度（PDOS）分析识别杂化效应。
• 通过Wanniertools构建Wannier函数并计算拓扑表面态。
• 综合分析电阻率、比热和劳厄衍射数据，以确认样品质量并排除相变的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 温度如何影响SnTe中体态和表面态的能量位置与色散关系？
• RQ2 为何狄拉克锥斜率和体态能带位置随温度升高呈现非单调变化？
• RQ3 费米能级附近狄拉克态谱强度在高温下急剧降低的根源是什么？
• RQ4 非谐振动、应变和杂化动力学在TCIs中对拓扑保护的影响程度如何？
• RQ5 不同温度下SnTe中的结构畸变是否可解释观测到的电子结构异常？

主要发现

• 从22 K到60 K，体态能带向费米能级移动，而在120 K时则移向更高的结合能，表明存在非单调的温度演化行为。
• 表面狄拉克能带的斜率从22 K到60 K减小，而在120 K时恢复，反映出能带色散的动态变化。
• 第一性原理计算表明，这些异常现象源于温度诱导结构畸变引起的杂化演化和能带反转。
• 高温下费米能级附近狄拉克态的谱强度急剧下降，与复杂的非谐振动和应变效应密切相关。
• 电阻率和比热数据中未发现结构相变，证实了样品的高质量，排除了简单相变为主要原因。
• 共价性和声子非谐振动被确定为在热激发下破坏拓扑保护的关键因素。