[论文解读] Glide-resolved photoemission spectroscopy: Measuring topological invariants in nonsymmorphic space groups

A. Alexandradinata, Zhijun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 115被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种滑移分辨光电子能谱技术，用于测量非对称晶体中的Z4拓扑不变量，利用自旋和角度分辨光电子能谱识别布洛赫态的滑移本征值。该研究建立了区分Z4⊕Z类拓扑绝缘体和金属的决定性实验证据，并通过第一性原理计算预测了Ba2Pb、受压Na3Bi和KHgSb实现不同非平庸相。

ABSTRACT

The two classes of 3D, time-reversal-invariant insulators are known to subdivide into four classes in the presence of glide symmetry. Here, we extend this classification of insulators to include glide-symmetric Weyl metals, and find a finer $Z_4\oplus Z$ classification. We further elucidate the smoking-gun experimental signature of each class in the photoemission spectroscopy of surface states. Measuring the $Z_4$ topological invariant by photoemission relies on identifying the glide representation of the initial Bloch state before photo-excitation - we show how this is accomplished with relativistic selection rules, combined with standard spectroscopic techniques to resolve both momentum and spin. Our method relies on a novel spin-momentum locking that is characteristic of all glide-symmetric solids (inclusive of insulators and metals in trivial and topological categories). As an orthogonal application, given a glide-symmetric solid with an ideally symmetric surface, we may utilize this spin-momentum locking to generate a source of FULLY spin-polarized photoelectrons, which have diverse applications in solid-state spectroscopy. Our ab-initio calculations predict Ba$_2$Pb, stressed Na$_3$Bi, and KHgSb to realize all three, nontrivial insulating phases in the $Z_4$ classification.

研究动机与目标

• 将三维时间反演对称拓扑绝缘体的分类扩展至包含滑移对称性Weyl金属，揭示Z4⊕Z分类。
• 通过光电子能谱识别表面态中每类Z4⊕Z的实验可区分特征。
• 开发一种通过测量光激发前初始布洛赫态的滑移本征值来测定Z4拓扑不变量的方法。
• 证明滑移对称固体中存在一种新型自旋-动量锁定，可实现完全自旋极化的光电子发射。

提出的方法

• 使用自旋和角度分辨光电子能谱（ARPES）以分辨光电子的动量和自旋。
• 应用相对论偶极选择定则，从光电子的自旋和发射方向推断初始布洛赫态的滑移本征值（∆±）。
• 利用滑移对称系统特有的自旋-动量锁定特性，映射初始态的对称性属性。
• 结合理论建模与第一性原理计算，预测候选材料中滑移本征值和表面态色散关系。
• 采用反向LEED态形式化方法，将光电子发射描述为具有特定动量和自旋的平面波叠加。
• 依赖半无限固体中对称性的单位子群A，以近似有限样品的对称性属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在滑移对称的拓扑绝缘体和金属中实验测量Z4拓扑不变量？
• RQ2 Z4⊕Z分类中每类拓扑固体的决定性实验证据是什么？
• RQ3 在自旋轨道耦合系统中，如何从光电子能谱数据确定布洛赫态的滑移本征值？
• RQ4 滑移对称固体能否通过自旋-动量锁定实现完全自旋极化的光电子发射？
• RQ5 哪些实际材料实现了Z4分类中的不同非平庸相？

主要发现

• 预测Ba2Pb、单轴应变Na3Bi和KHgSb分别实现具有(χ+∈Z4, C∈Z) = (3, 0)、(1, 0)和(2, 0)的非平庸绝缘相。
• 通过识别初始布洛赫态的滑移本征值，可利用自旋和角度分辨光电子能谱测量Z4拓扑不变量。
• 滑移对称固体中存在一种新型自旋-动量锁定，可实现完全自旋极化的光电子发射，对光谱学具有应用价值。
• 该方法可区分具有相同Z2不变量但不同Z4分类的绝缘体，如Ba2Pb与带隙Na3Bi。
• 具有两个右旋模式（手征性+）的狄拉克费米子的表面能带色散呈现沙漏形状，为Z4不变量提供了直接实验信号。
• 来自滑移不变表面态的光电子发射产生一个光电子扇形，其自旋极化与发射方向相关，从而可直接测量初始态对称性。