[论文解读] Identification of Topological Surface State in PdTe2 Superconductor by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Yan Liu, Jianzhou Zhao+17 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 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）和第一性原理计算，在超导体PdTe2中识别出具有狄拉克锥的拓扑非平庸表面态。狄拉克点位于约1.75 eV结合能处，远低于费米能级，且表现出螺旋自旋纹理，与传统拓扑绝缘体中狄拉克锥靠近费米能级的特征不同。该发现确立了PdTe2作为研究拓扑超导性和奇异量子现象的新平台。

ABSTRACT

High resolution angle-resolved photoemission measurements have been carried out on transition metal dichalcogenide PdTe2 that is a superconductor with a Tc at 1.7 K. Combined with theoretical calculations, we have discovered for the first time the existence of topologically nontrivial surface state with Dirac cone in PbTe2 superconductor. It is located at the Brillouin zone center and possesses helical spin texture. Distinct from the usual three-dimensional topological insulators where the Dirac cone of the surface state lies at the Fermi level, the Dirac point of the surface state in PdTe2 lies deep below the Fermi level at ~1.75 eV binding energy and is well separated from the bulk states. The identification of topological surface state in PdTe2 superconductor deep below the Fermi level provides a unique system to explore for new phenomena and properties and opens a door for finding new topological materials in transition metal chalcogenides.

研究动机与目标

• 识别过渡金属二硫属化物中可能存在的拓扑表面态，这类材料具有丰富的电子性质，但已知的拓扑行为有限。
• 确定超导体PdTe2是否具有拓扑保护的表面态，尤其考虑到其较低的Tc和强自旋轨道耦合。
• 利用高分辨率ARPES和理论建模表征表面态的电子结构和自旋纹理。
• 探索PdTe2作为实现拓扑超导体中马约拉纳费米子及其他奇异量子现象的潜在平台。
• 为在过渡金属硫属化物体系中发现新拓扑材料开辟新路径。

提出的方法

• 在20 K下对解理的PdTe2单晶样品使用He I（21.218 eV）、He Iα（23.087 eV）和He II（40.8 eV）光源进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，能量分辨率达10 meV，角度分辨率约0.3°。
• 通过共 mounted 金参考样品的费米边缘对费米能级进行标定。
• 使用WIEN2K软件包，基于全势线性化增广平面波（LAPW）方法进行第一性原理计算，并自洽地包含自旋轨道耦合。
• 基于Wannier函数构建紧束缚模型，以精确再现广义梯度近似（GGA）的能带结构。
• 计算拓扑不变量和自旋纹理，以确认表面态的非平庸拓扑性质。
• 利用光子能量依赖的ARPES测量，根据其动量和能量响应特性，区分表面态与体态。

实验结果

研究问题

• RQ1 PdTe2（Tc ~1.7 K的超导体）是否具有拓扑非平庸的表面态？
• RQ2 该表面态的狄拉克点相对于费米能级位于何处？其与体态能带的分离程度如何？
• RQ3 该表面态的自旋纹理为何种特征？是否表现出拓扑绝缘体中预期的螺旋特性？
• RQ4 由于其能量位置，该表面态是否可在实验中被分辨并成功与体态区分开来？
• RQ5 在超导体中，位于费米能级以下较深位置的拓扑表面态对新型量子现象有何意义？

主要发现

• 在布里渊区中心，实验上确认了PdTe2中存在具有狄拉克锥的拓扑表面态，狄拉克点位于约1.75 eV结合能处。
• 该表面态与体态明显分离，并在不同光子能量下保持稳定，证实其源于表面。
• 表面态的自旋纹理表现出右旋手性（上支狄拉克锥）和左旋手性（下支狄拉克锥），证实其拓扑本质。
• 理论计算与ARPES数据高度一致，验证了拓扑表面态的存在。
• 狄拉克锥位于费米能级以下较深位置，与典型拓扑绝缘体中狄拉克点靠近费米能级的特征形成鲜明对比。
• 该发现确立了PdTe2作为研究马约拉纳费米子及其他奇异量子现象的新拓扑超导体平台。