[论文解读] Arc-tunable Weyl Fermion metallic state in Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$

Tay‐Rong Chang, Su‐Yang Xu+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

该论文通过第一性原理计算提出在Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中实现可调的外尔金属态，表明仅2%的Mo掺杂即可在室温下稳定外尔费米子。通过调节Mo浓度，外尔节点在动量空间中的分离距离——即费米弧的长度——可从零连续调节至约布里渊区的3%，为超越TaAs家族的拓扑外尔物理提供了独特且实验可行的途径。

ABSTRACT

Weyl semimetals may open a new era in condensed matter physics because they provide the first example of Weyl fermions, realize a new topological classification even though the system is gapless, exhibit Fermi arc surface states and demonstrate the chiral anomaly and other exotic quantum phenomena. So far, the only known Weyl semimetals are the TaAs class of materials. Here, we propose the existence of a tunable Weyl metallic state in Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$ via our first-principles calculations. We demonstrate that a 2% Mo doping is sufficient to stabilize the Weyl metal state not only at low temperatures but also at room temperatures. We show that, within a moderate doping regime, the momentum space distance between the Weyl nodes and hence the length of the Fermi arcs can be continuously tuned from zero to ~ 3% of the Brillouin zone size via changing Mo concentration, thus increasing the topological strength of the system. Our results provide an experimentally feasible route to realizing Weyl physics in the layered compound Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$, where non-saturating magneto-resistance and pressure driven superconductivity have been observed.

研究动机与目标

• 识别一种新型、实验可实现的平台，用于在层状过渡金属二硫属化物中实现外尔半金属物理。
• 解决现有外尔半金属（尤其是TaAs家族）中缺乏可调性的问题，特别是其费米弧长度不可控的缺陷。
• 证明在Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中，外尔节点和费米弧可在不同Mo浓度下被稳定并实现调控。
• 为在单一材料体系中观测手征异常和非饱和磁阻等奇异量子现象提供理论基础。
• 阐明具有能量偏移外尔节点和II型外尔锥的体系中，等能面态与费米弧连通性之间的关系。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究不同Mo浓度下Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$的电子能带结构。
• 通过分析动量空间中的能带简并性并计算贝里曲率单极子，识别外尔节点位置和手征电荷。
• 从不同能量下的等能轮廓重构费米弧连通性，追踪穿过体相口袋的表面态能带。
• 分析不同能量切片下体相费米口袋（电子型和空穴型）的演化，以描绘拓扑表面态。
• 通过测量外尔节点在动量空间中的距离来量化系统的拓扑强度，该距离与费米弧长度成正比。
• 评估不同掺杂水平下外尔态的稳定性，包括在约0.5% Mo掺杂时系统从带隙相向外尔半金属相转变的关键点。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中通过实验可行的Mo掺杂水平稳定外尔金属态？
• RQ2 费米弧长度（作为拓扑强度的度量）在Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中如何随Mo浓度变化？
• RQ3 为何Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中的等能面图显示出非直观的费米弧连通性？这如何与实际的外尔节点配对相协调？
• RQ4 Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中的外尔半金属相在室温及中等掺杂下是否具有鲁棒性？
• RQ5 外尔节点能否通过外部压力被湮灭？这是否意味着可实现拓扑相变的可调性？

主要发现

• 在Mo$_x$W$_{1-x}$Te$_2$中，仅需2%的Mo掺杂即可稳定外尔金属态，即使在室温下亦可实现。
• 随着Mo浓度从临界点开始增加，费米弧长度从零连续增加至约布里渊区大小的3%。
• 在约0.5% Mo掺杂时，系统达到临界点，导带与价带在此处相接，标志着外尔节点形成的起始。
• 尽管等能面图中看似存在非直观的连通性，费米弧实际连接的是W1(-)和W2(+)外尔节点，这是由于能带随能量变化的依赖性所致。
• 通过追踪多个能量切片中的交叉点，发现等能轮廓中的表面态能带可重构出真实的费米弧。
• 系统的拓扑强度（以外尔节点间距量化）可通过化学掺杂实现调控，这一特性在TaAs家族的外尔半金属中尚不存在。