[论文解读] Evidence of Dirac cones with 3D character probed by dHvA oscillations in nodal-line semimetal ZrSiS

Jin Hu, Zhijie Tang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 52被引用 11

一句话总结

本研究通过德哈斯-范阿尔芬（dHvA）量子振荡，首次提供了锆硅硫（ZrSiS）节点线半金属中三维（3D）费米面特征的直接证据。尽管该材料具有线节点狄拉克费米子，但强dHvA振荡在所有磁场取向下均持续存在，揭示了多个狄拉克能带并证实了3D费米面拓扑结构，同时在小的二维费米面口袋中观察到强烈的塞曼分裂。

ABSTRACT

The topological quantum materials, including Dirac and Weyl semimetals, represent a new class of quantum materials with symmetry-protected band touching points. The essential properties of Dirac/Weyl fermions, including light effect mass, high mobility and non-trivial Berry phase, can be revealed by quantum oscillations. Here we present the first systematic de Haas–van Alphen (dHvA) oscillation studies on the recently discovered Dirac line-node semimetal ZrSiS a new type of topological phase of mater with Dirac crossings along a one dimensional line. In contrast with the recently-reported weak Shubnikov-de Haas oscillations which attenuate quickly when the field is rotated close to the ab-plane, the dHvA oscillations in ZrSiS were found to be strong under arbitrary field orientations, enabling us to explore not only the intrinsic properties of Dirac fermions but also the dimensionality of Fermi surface consisting of Dirac line node. Our experiments not only reveal evidence of Dirac fermions from multiple Dirac bands, but also show the Fermi surface enclosing the Dirac nodal line is of three-dimensional character for the first time. Furthermore, we observed surprisingly strong Zeeman splitting in the dHvA oscillations related to a small Fermi surface with a two-dimensional character. These results shed light on the nature of the line-node Dirac state of ZrSiS.

研究动机与目标

• 通过量子振荡测量研究节点线半金属ZrSiS的电子结构和费米面拓扑结构。
• 确定与ZrSiS中狄拉克节点线相关的费米面的维度。
• 通过高场量子振荡实验探测ZrSiS中狄拉克费米子的性质。
• 解决弱舒布尼克夫-德哈斯振荡与不同磁场取向下的强dHvA响应之间的矛盾。

提出的方法

• 在高磁场下对单晶ZrSiS进行了系统的德哈斯-范阿尔芬（dHvA）振荡测量。
• 改变磁场方向相对于晶体学ab面的角度，以探测费米面的各向异性特性。
• 通过分析dHvA振荡频率和相位，提取费米面横截面积和贝里相位。
• 通过识别dHvA振荡中的塞曼分裂，推断小费米面口袋中的自旋分裂和有效g因子。
• 利用振荡幅度的角依赖性，区分2D与3D费米面特征。
• 将观测到的振荡行为与狄拉克节点线体系的理论预期进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 与ZrSiS中狄拉克节点线相关的费米面的维度是什么？
• RQ2 ZrSiS中的dHvA振荡如何随磁场取向变化，这揭示了费米面拓扑的哪些信息？
• RQ3 通过量子振荡测量，有哪些证据表明ZrSiS中存在多个狄拉克能带？
• RQ4 为何dHvA振荡在磁场接近ab平面时仍保持强烈，与早期报道的弱舒布尼克夫-德哈斯振荡结果相反？
• RQ5 在小费米面口袋的dHvA振荡中，为何观察到出人意料的强塞曼分裂？

主要发现

• ZrSiS中的dHvA振荡在所有磁场取向下均保持强烈，表明量子相干性稳健，支持了完整的费米面表征。
• 所观测到的包围狄拉克节点线的费米面表现出三维特征，为节点线半金属中3D拓扑结构提供了首个直接证据。
• 多个狄拉克能带对量子振荡有贡献，证实ZrSiS中存在多于一个狄拉克费米子态。
• 在与小二维费米面口袋相关的dHvA振荡中，观察到出人意料的强塞曼分裂。
• 塞曼分裂暗示了显著的有效g因子，表明小费米面口袋中存在强自旋-轨道耦合或独特的电子结构。
• 尽管磁场方向发生旋转，强dHvA信号仍持续存在，解决了与弱舒布尼克夫-德哈斯数据之间的先前矛盾，表明dHvA测量在该体系中具有更优的信噪比。