[论文解读] Evidence of both surface and bulk Dirac bands in ZrSiS and the unconventional magnetoresistance

Xuefeng Wang, Xingchen Pan+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用 9

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）、量子振荡测量和密度泛函理论（DFT）计算，首次提供了ZrSiS中表面态和体相狄拉克能带的直接证据。研究展示了在高达53 T的磁场下仍保持未饱和的非典型磁阻效应，且具有蝴蝶结形的角依赖性，揭示了具有非平庸贝里相位的体相狄拉克锥，其费米面面积为1.80×10⁻³ Å⁻²，在20 T前已达到量子极限。

ABSTRACT

The unconventional magnetoresistance of ZrSiS single crystals is found unsaturated till the magnetic field of 53 T with the butterfly shaped angular dependence. Intense Shubnikov-de Haas oscillations resolve a bulk Dirac cone with a nontrivial Berry phase, where the Fermi surface area is 1.80*10^-3 Å-2 and reaches the quantum limit before 20 T. Angle resolved photoemission spectroscopy measurement reveals an electronic state with the two-dimensional nature around the X point of Brillouin zone boundary. By integrating the density functional theory calculations, ZrSiS is suggested to be a Dirac material with both surface and bulk Dirac bands.

研究动机与目标

• 研究ZrSiS的电子结构，确定体相和表面态中是否存在狄拉克费米子。
• 理解在ZrSiS单晶中观测到的非典型磁阻效应的起源。
• 确定ZrSiS是否具有由对称性保护的稳定狄拉克锥的狄拉克半金属相。
• 将实验观测与第一性原理DFT计算相关联，以验证该材料的拓扑特性。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测布里渊区X点附近的电子能带结构。
• 通过量子振荡测量（舒布尼克ov-德哈斯效应）提取费米面特性与贝里相位。
• 在高达53 T的强磁场下进行磁电输运测量，以研究磁阻行为及其角依赖性。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子结构，并确认狄拉克锥的存在。
• 分析磁阻的角依赖性，以识别多口袋费米面的典型蝴蝶结形图案。
• 将实验测得的费米面面积与理论预测进行比较，以验证准粒子的狄拉克特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZrSiS是否如理论预测的那样，同时存在表面和体相狄拉克能带？
• RQ2 在高达53 T的磁场下观测到的未饱和磁阻效应的起源是什么？
• RQ3 所观测到的量子振荡是否与具有非平庸贝里相位的狄拉克费米子一致？
• RQ4 实验测得的费米面参数与DFT计算结果如何比较？
• RQ5 对称性在稳定ZrSiS中狄拉克节点的过程中起什么作用？

主要发现

• ARPES测量揭示了布里渊区X点附近存在二维电子态，表明存在表面狄拉克态。
• 舒布尼克ov-德哈斯振荡证实了具有非平庸贝里相位的体相狄拉克锥，这是拓扑狄拉克费米子的特征。
• 测得的费米面面积为1.80×10⁻³ Å⁻²，在20 T前已达到量子极限。
• 非典型磁阻在高达53 T的磁场下仍保持未饱和，且具有蝴蝶结形的角依赖性。
• DFT计算支持ZrSiS中同时存在表面和体相狄拉克能带，证实其被归类为狄拉克材料。
• 实验与理论结果的结合确立了ZrSiS作为研究三维狄拉克费米子的稳健平台。