[论文解读] Discovery of the topological surface state in a noncentrosymmetric superconductor BiPd

Madhab Neupane, Nasser Alidoust+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）首次实验发现非中心对称超导体BiPd中存在拓扑表面态。该表面态的狄拉克点位于费米能级以下约700 meV处，源于Bi 6p与Pd 4p态之间的能带反演，经第一性原理计算证实，确立了BiPd在无反演对称性条件下为拓扑绝缘体，尽管费米能级附近不存在拓扑表面态，但不排除其本征状态下存在拓扑超导性。

ABSTRACT

Recently, noncentrosymmetric superconductor BiPd has attracted considerable research interest due to the possibility of being a topological superconductor. Here, we report a systematic high-resolution angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of the normal state electronic properties of BiPd. Our experimental results show the presence of a surface state at higher binding energy with the location of Dirac point at around 700 meV below the Fermi level. The detailed photon energy and temperature dependent measurements complemented by our first-principles calculations provide further evidence for the presence of the topological surface state at high binding energy. The absence of topological surface states near the Fermi level negates the possibility of the topological superconducting behavior in the surface of this material. Our first direct experimental discovery of a topological surface state in BiPd provides novel information that will guide the future search for topological superconductivity in noncentrosymmetric materials.

研究动机与目标

• 确定如BiPd这样的非中心对称超导体是否具有拓扑表面态，这可能促成拓扑超导性。
• 解决BiP5d电子结构长期存在的模糊性，特别是拓扑表面态的存在问题。
• 在金属体系中建立自旋-轨道耦合、无反演对称性与拓扑表面态之间的直接实验关联。
• 通过确定正常态电子结构，为未来在非中心对称材料中探索拓扑超导性奠定基础。

提出的方法

• 在ALS光束线10.0.1和SSRL光束线5-4处进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，能量分辨率<20 meV，角度分辨率<0.2°。
• 在超高压环境（<10⁻¹⁰ torr）下，于10 K至80 K的温度范围内对BiPd单晶进行原位解理，以保持表面质量。
• 采用投影缀加平面波方法，在广义梯度近似（GGA）框架内进行第一性原理计算，并自洽地包含自旋-轨道耦合。
• 使用(010)表面的1×5×1超胞模型，真空层厚度>20 Å，以模拟表面效应。
• 通过光子能量和温度依赖的ARPES测量，确认表面态的动量和能量色散关系。
• 理论分析聚焦于Bi 6p与Pd 4p态之间的能带反演以及表面态的自旋极化，以证实其拓扑起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 非中心对称超导体BiPd是否如第一性原理计算所预测的那样，存在拓扑表面态？
• RQ2 该表面态的狄拉克点相对于费米能级在能量上位于何处，是否具有自旋极化？
• RQ3 ARPES测量能否在BiPd中区分拓扑与平凡表面态？
• RQ4 尽管存在强自旋-轨道耦合，为何在费米能级附近未见拓扑表面态的证据？
• RQ5 通过电闸门调控或表面沉积调节费米能级，是否可在BiPd中诱导出拓扑超导性？

主要发现

• 在BiPd中首次实验发现拓扑表面态，其狄拉克点位于费米能级以下约700 meV处。
• 该表面态源于Bi 6p与Pd 4p态之间的能带反演，经第一性原理计算证实。
• 该表面态表现出螺旋自旋极化，为其拓扑起源提供了有力证据。
• 费米能级附近不存在拓扑表面态，排除了BiPd本征表面态中存在拓扑超导性的可能性。
• 该体系在无反演对称性条件下为拓扑绝缘体，其特征是价带反演，与传统拓扑绝缘体不同。
• 结果表明，通过电闸门调控或表面沉积调节费米能级，可能在BiPd中实现拓扑超导性。