[论文解读] Discovery of Weyl semimetal state violating Lorentz invariance in MoTe2

Nan Xu, Z. J. Wang+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 48被引用 51

一句话总结

本研究通过实验确认MoTe2是一种类型II外尔半金属，这是一种新型量子态，其中外尔费米子因外尔节点倾斜而违反洛伦兹不变性。利用角分辨光电子能谱（ARPES），作者直接观测到连接外尔节点对的费米弧表面态，且每条费米弧具有单一拓扑电荷，验证了第一性原理计算，并确立了MoTe2作为研究洛伦兹对称性破缺外尔费米子的平台。

ABSTRACT

A new type of Weyl semimetal state, in which the energy values of Weyl nodes are not the local extrema, has been theoretically proposed recently, namely type II Weyl semimetal. Distinguished from type I semimetal (e.g. TaAs), the Fermi surfaces in a type II Weyl semimetal consist of a pair of electron and hole pockets touching at the Weyl node. In addition, Weyl fermions in type II Weyl semimetals violate Lorentz invariance. Due to these qualitative differences distinct spectroscopy and magnetotransport properties are expected in type II Weyl semimetals. Here, we present the direct observation of the Fermi arc states in MoTe2 by using angle resolved photoemission spectroscopy. Two arc states are identified for each pair of Weyl nodes whoes surface projections of them possess single topological charge, which is a unique property for type II Weyl semimetals. The experimentally determined Fermi arcs are consistent with our first principle calculations. Our results unambiguously establish that MoTe2 is a type II Weyl semimetal, which serves as a great test bed to investigate the phenomena of new type of Weyl fermions with Lorentz invariance violated.

研究动机与目标

• 识别并确认MoTe2中存在一种新型外尔半金属，即类型II，其特征为洛伦兹不变性破缺。
• 通过实验验证在具有倾斜外尔节点的外尔半金属中，费米弧表面态的理论预测。
• 确立MoTe2作为研究具有洛伦兹对称性破缺的奇异准粒子的稳健平台。
• 将实验观测结果与第一性原理计算进行比较，以验证外尔态的拓扑性质。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）对MoTe2在整个布里渊区的电子能带结构进行测绘。
• 分析表面态色散关系，以识别连接外尔节点的费米弧态的存在及其拓扑特性。
• 基于第一性原理密度泛函理论进行理论计算，以模拟能带结构和外尔节点位置。
• 绘制外尔节点在表面的投影，并确定其拓扑电荷，以确认每条费米弧对应单一电荷。
• 在倾斜外尔费米子模型的框架下解释磁电输运和光谱数据，以评估洛伦兹对称性破缺的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoTe2是否具有因洛伦兹不变性破缺而形成的类型II外尔半金属态？
• RQ2 MoTe2中是否存在拓扑保护的费米弧表面态，连接具有单一拓扑电荷的外尔节点？
• RQ3 实验观测到的费米弧是否与第一性原理计算的预测一致？
• RQ4 ARPES测量能否基于费米表面的拓扑结构明确区分类型II外尔半金属与类型I？

主要发现

• ARPES测量直接观测到MoTe2中存在两条不同的费米弧表面态，每条均连接一对具有单一拓扑电荷的外尔节点。
• 观测到的费米弧与第一性原理计算结果一致，证实了类型II外尔半金属的理论预测。
• MoTe2中的外尔节点被确认为倾斜结构，导致洛伦兹不变性破缺，这是类型II外尔费米子的典型特征。
• MoTe2的费米面由电子和空穴口袋组成，且在外尔节点处相接，证实了其类型II分类。
• 表面态展现出一种在传统类型I外尔半金属（如TaAs）中未观测到的独特拓扑结构。