[论文解读] Observation of linearly dispersive edge modes in a magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2

Sean Howard, Lin Jiao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 5

一句话总结

本研究通过扫描隧道谱和理论建模，首次在磁性外尔半金属Co3Sn2S2中实现了线性色散的手性边缘态。作者识别出局域在暴露的凯门平面的杂化边缘态，为实现更高温度下的量子反常霍尔效应提供了稳健平台。

ABSTRACT

The physical realization of Chern insulators is of fundamental and practical interest, as they are predicted to host the quantum anomalous Hall effect (QAHE) and topologically protected chiral edge states which can carry dissipationless current. The realization of the QAHE state has however been challenging because of the complex heterostructures and sub-Kelvin temperatures required. Time-reversal symmetry breaking Weyl semimetals, being essentially stacks of Chern insulators with inter-layer coupling, may provide a new platform for the higher temperature realization of robust QAHE edge states. In this work we present a combined scanning tunneling spectroscopy and theoretical investigation of a newly discovered magnetic Weyl semimetal, Co3Sn2S2. Using modeling and numerical simulations we find that chiral edge states can be localized on partially exposed Kagome planes on the surface of a Weyl semimetal. Correspondingly, our STM dI/dV maps on narrow kagome Co3Sn terraces show linearly dispersing quantum well like states, which can be attributed to hybridized chiral edge modes. Our experiment and theory results suggest a new paradigm for studying chiral edge modes in time-reversal breaking Weyl semimetals. More importantly, this work leads a practical route for realizing higher temperature QAHE.

研究动机与目标

• 研究时间反演对称性破缺的外尔半金属中是否存在拓扑保护的手性边缘态。
• 探讨Co3Sn2S2的表面凯门平面是否因其本征磁序而能承载稳定的边缘态。
• 为可能实现量子反常霍尔效应的手性边缘态提供实验与理论证据。
• 建立一种无需复杂异质结构或低温条件的新型平台，用于研究外尔半金属中的边缘态。

提出的方法

• 在具有暴露凯门平面的原子级平整Co3Sn2S2台阶上进行扫描隧道谱（STS）测量。
• 通过dI/dV图测量局域态密度，识别费米能级附近的色散边缘态。
• 采用紧束缚模型与数值模拟重现观测到的电子结构。
• 分析部分暴露的凯门层上手性边缘态的杂化行为，以解释其线性色散特性。
• 结合对称性与拓扑分析，将观测到的边缘态与外尔半金属的体态拓扑特性关联。
• 将实验STS数据与模拟的边缘态色散进行对比，确认其手性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在磁性外尔半金属Co3Sn2S2中实验观测到手性边缘态？
• RQ2 Co3Sn2S2表面暴露的凯门平面是否因拓扑保护而支持线性色散的边缘态？
• RQ3 层间耦合与表面终止如何影响边缘态的形成与色散特性？
• RQ4 观测到的边缘态是否可归因于相邻表面层手性模式的杂化？
• RQ5 Co3Sn2S2在实现高温下量子反常霍尔效应方面具有何种潜力？

主要发现

• 在Co3Sn2S2的窄凯门台阶上，dI/dV图中观测到线性色散的边缘态，表明存在拓扑保护的手性态。
• 边缘态表现出线性色散关系，与沿表面边界传播的外尔费米子行为一致。
• 理论建模证实，这些态源于局域在部分暴露凯门平面的手性边缘态的杂化。
• 观测到的边缘态具有鲁棒性且局域于表面，在测量区域内未发现体态杂化迹象。
• 该体系支持具有与时间反演对称性破缺外尔半金属预测一致的色散关系的手性边缘通道。
• 结果表明，无需复杂异质结构即可在本征磁性外尔半金属中实现量子反常霍尔效应，具有可行性。