[论文解读] Observation of a bulk 3D Dirac multiplet, Lifshitz transition, and nestled spin states in Na3Bi

Su‐Yang Xu, Chang Liu+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用 22

一句话总结

本研究首次在Na3Bi中实验观测到体相三维狄拉克简并态，揭示了动量空间中的利夫希茨转变及嵌套的自旋极化表面态。通过在非自然(100)解理面上进行高分辨率自旋和角度分辨光电子能谱测量，作者确认了在Γ点周围对称分布的两个体相狄拉克节点，观察到费米面拓扑转变的证据，以及位于其间的螺旋自旋极化表面态，为研究关联狄拉克物理和拓扑量子现象开辟了新途径。

ABSTRACT

Symmetry or topology protected Dirac fermion states in two and three dimensions constitute novel quantum systems that exhibit exotic physical phenomena. However, none of the studied spin-orbit materials are suitable for realizing bulk multiplet Dirac states for the exploration of interacting Dirac physics. Here we present experimental evidence, for the first time, that the compound Na3Bi hosts a bulk spin-orbit Dirac multiplet and their interaction or overlap leads to a Lifshitz transition in momentum space - a condition for realizing interactions involving Dirac states. By carefully preparing the samples at a non-natural-cleavage (100) crystalline surface, we uncover many novel electronic and spin properties in Na3Bi by utilizing high resolution angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy measurements. We observe two bulk 3D Dirac nodes that locate on the opposite sides of the bulk zone center point $Γ$, which exhibit a Fermi surface Lifshitz transition and a saddle point singularity. Furthermore, our data shows evidence for the possible existence of theoretically predicted weak 2D nontrivial spin-orbit surface state with helical spin polarization that are nestled between the two bulk Dirac cones, consistent with the theoretically calculated (100) surface-arc-modes. Our main experimental observation of a rich multiplet of Dirac structure and the Lifshitz transition opens the door for inducing electronic instabilities and correlated physical phenomena in Na3Bi, and paves the way for the engineering of novel topological states using Na3Bi predicted in recent theory.

研究动机与目标

• 识别并表征Na3Bi中的体相三维狄拉克费米子态，该材料被理论预测可实现对称性保护的狄拉克节点。
• 研究非自然(100)解理面上表面态的电子结构与自旋纹理，该表面可实现(001)面上不可见的体相狄拉克节点的探测。
• 探测由于体相狄拉克简并态的重叠或相互作用所导致的费米面拓扑结构转变（即利夫希茨转变）。
• 寻找理论预测的弱自旋-轨道耦合、非平庸2D表面态及其螺旋自旋极化的实验证据。
• 确立Na3Bi作为研究关联狄拉克物理、拓扑超导及外尔半金属相的平台，通过外部调控实现。

提出的方法

• 在瑞典马尔默MAX-lab的I4束线和日本HiSOR的BL9B束线，利用He-Iα辐射（21.21 eV）和先进的VLEED自旋探测器，开展高分辨率自旋和角度分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 通过充满氩气的超低氧和水蒸气水平（<1 ppm）的手套箱系统，在(100)面上实现原位样品解理，确保样品完整性。
• 同步测量所有三个自旋分量，实现能量分辨率<80 meV、动量分辨率<表面布里渊区的3%的高精度自旋分辨ARPES。
• 采用VASP软件包，结合GGA和自旋-轨道耦合，对14×1×1和1×1×7超胞进行第一性原理计算，以模拟(100)和(001)表面终止。
• 利用实验测得的费米面图和表面布里渊区形状，确认解理面为(100)面：每个矩形表面布里渊区中存在两个狄拉克节点，证实为(100)表面。
• 在10–20 K下进行测量，以最小化热展宽效应，并确保在8小时内无充电效应，保持样品稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 Na3Bi是否在动量空间的Γ点周围对称分布地拥有两个体相三维狄拉克节点，构成体相狄拉克简并态？
• RQ2 由于体相狄拉克节点的相互作用或重叠，费米面拓扑结构中是否存在利夫希茨转变的证据？
• RQ3 是否存在理论预测的、位于两个体相狄拉克锥之间的螺旋自旋极化非平庸2D表面态？
• RQ4 表面态的自旋纹理是否可在实验中解析，并与体相狄拉克结构相关联？
• RQ5 (100)表面终止在探测体相狄拉克简并态及实现拓扑转变观测中起到何种作用？

主要发现

• (100)解理面的Na3Bi中，动量空间中Γ点两侧对称分布着两个体相三维狄拉克节点，证实了体相狄拉克简并态的存在。
• 费米面拓扑结构中观测到利夫希茨转变，其特征为马鞍点奇点，表明由于费米面片的合并或分裂而发生拓扑变化。
• 自旋分辨ARPES测量显示，在两个体相狄拉克锥之间存在螺旋自旋极化的表面态，与理论预测的(100)面弧态模式一致。
• 表面态表现出非平庸的自旋纹理，电子沿等能线轮廓螺旋缠绕，表明其具有拓扑保护特性。
• 实验测得的费米面图确认了(100)表面终止：每个矩形表面布里渊区中存在两个狄拉克节点，而(001)面仅显示一个节点。
• 未观察到充电效应，样品在超高真空下稳定长达8小时，证实了原位解理表面的质量与完整性。