[论文解读] Interband optical conductivity of the [001]-oriented Dirac semimetal Cd3As2

David Neubauer, J. P. Ćarbotte+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究在10至300 K的温度范围内，测量了[001]取向n型掺杂Cd3As2在50–22,000 cm⁻¹宽频带范围内的跨带光学电导率。在2000–8000 cm⁻¹频段内，发现其具有幂律频率依赖关系σ₁(ω) ∝ ω¹.⁶⁵，归因于狄拉克能带中的跨带跃迁，其有效亚线性色散关系为E(k) ∝ |k|⁰.⁶，表明费米速度随能量变化，在1.2×10⁵至3×10⁵ m/s之间。σ₁(ω)中观察到的类似能隙的特征，与费米能级位于狄拉克点以上约100 meV处有关。

ABSTRACT

We measured the optical reflectivity of [001]-oriented $n$-doped Cd$_{3}$As$_{2}$ in a broad frequency range (50 - 22000 cm$^{-1}$) for temperatures from 10 to 300 K. The optical conductivity, $σ(ω) = σ_{1}(ω) + { m i}σ_{2}(ω)$, is isotropic within the (001) plane; its real part follows a power law, $σ_{1}(ω) \propto ω^{1.65}$, in a large interval from 2000 to 8000 cm$^{-1}$. This behavior is caused by interband transitions between two Dirac bands, which are effectively described by a sublinear dispersion relation, $E(k) \propto \lvert k vert ^{0.6}$. The momentum-averaged Fermi velocity of the carriers in these bands is energy dependent and ranges from $1.2 imes 10^{5}$ to $3 imes 10^{5}$ m/s, depending on the distance from the Dirac points. We detect a gaplike feature in $σ_{1}(ω)$ and associate it with the Fermi level positioned around $100$ meV above the Dirac points.

研究动机与目标

• 通过探测[001]取向Cd3As2的跨带光学响应，验证三维狄拉克半金属中狄拉克费米子行为的理论预测。
• 通过宽带光学光谱法确定Cd3As2中狄拉克能带的色散关系。
• 通过分析理想线性色散的偏离，识别电子掺杂和多体效应在光学电导率中的特征。
• 通过使用高质量单晶和改进的克雷默-克罗尼格分析结合可靠的高频外推方法，解决先前光学研究中的矛盾之处。

提出的方法

• 利用傅里叶变换红外光谱仪和可见光谱仪，在50–22,000 cm⁻¹范围内测量了金或银参考镜的光学反射率。
• 应用克雷默-克罗尼格分析，从温度依赖的直流电阻率和外推的高频数据中提取复数光学电导率σ(ω) = σ₁(ω) + iσ₂(ω)。
• 通过多种文献来源对高频外推进行验证，确保克雷默-克罗尼格结果的稳健性。
• 理论建模采用考虑自能修正的狄拉克费米子跨带电导率的修正形式，引入常数偏移Δ以模拟多体效应。
• 从2000–8000 cm⁻¹频段提取σ₁(ω)的幂律指数，以推断有效能带色散指数z ≈ 0.6。
• 通过光学吸收的起始点（在σ₁(ω)中表现为类似能隙的特征）估算费米能级位置，约为100 meV。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cd3As2的跨带光学电导率的频率依赖关系如何？是否符合三维狄拉克费米子的预测幂律行为？
• RQ2 Cd3As2中狄拉克能带的有效色散关系与线性行为的偏离程度如何？其有效指数z在E(k) ∝ |k|ᶻ中的取值是多少？
• RQ3 在光学电导率实部中观察到的类似能隙特征的起源是什么？其与费米能级位置有何关联？
• RQ4 多体效应（如自能修正）如何影响光学电导率？它们能否解释理想狄拉克行为的偏离？
• RQ5 高频外推和参考数据在多大程度上影响克雷默-克罗尼格分析提取σ₁(ω)的可靠性？

主要发现

• 在2000–8000 cm⁻¹频段内，光学电导率实部σ₁(ω)遵循幂律依赖关系σ₁(ω) ∝ ω¹.⁶⁵，表明狄拉克能带中存在非线性色散。
• 观测到的幂律指数对应于有效能带色散E(k) ∝ |k|⁰.⁶，偏离了理想三维狄拉克费米子所预期的线性z = 1行为。
• 动量平均的费米速度具有能量依赖性，其范围在1.2×10⁵ m/s至3×10⁵ m/s之间，取决于距狄拉克点的距离。
• 在σ₁(ω)中约100 meV处观察到的明显类似能隙特征，归因于费米能级位于狄拉克点以上约100 meV处。
• 只要包含4-eV处强烈的反射率峰，克雷默-克罗尼格分析对高频外推的变化具有鲁棒性；若省略该峰，幂律指数将降至1.2。
• 引入自能偏移Δ的理论建模结果表明，观测到的电导率起始行为与掺杂狄拉克半金属一致，其中光学能隙由2Δ决定，且费米能级E_F > Δ。