[论文解读] Observation of multiple Dirac states in a magnetic topological material EuMg2Bi2

Firoza Kabir, M. Mofazzel Hosen+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用 4

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）和从头算计算，在本征磁性拓扑材料EuMg2Bi2中识别出多个狄拉克态。研究揭示了布里渊区的Γ点和K点处存在两个不同的狄拉克锥，狄拉克节点分别位于费米能级以下375 meV和340 meV处，为在无磁性掺杂引起的非均匀性影响下探索化学计量比体系中非平凡拓扑与磁性的相互作用提供了平台。

ABSTRACT

Initiated by the discovery of topological insulators, topologically non-trivial materials, more specifically topological semimetals and metals have emerged as new frontiers in the field of quantum materials. In this work, we perform a systematic measurement of EuMg2Bi2, a compound with antiferromagnetic transition temperature at 6.7 K, observed via electrical resistivity, magnetization and specific heat capacity measurements. By utilizing angle-resolved photoemission spectroscopy in concurrence with first-principles calculations, we observe Dirac cones at the corner and the zone center of the Brillouin zone. From our experimental data, multiple Dirac states at G and K points are observed, where the Dirac nodes are located at different energy positions from the Fermi level. Our experimental investigations of detailed electronic structure as well as transport measurements of EuMg2Bi2 suggest that it could potentially provide a platform to study the interplay between topology and magnetism.

研究动机与目标

• 研究本征磁性拓扑材料EuMg2Bi2的电子结构，该材料在6.7 K时表现出反铁磁序。
• 确定该体系中是否存在多个狄拉克态，鉴于其在化学计量化合物中可能同时实现非平凡拓扑与磁性的潜力。
• 探索在无磁性杂质干扰的体系中，拓扑与磁性的相互作用，此类杂质常困扰掺杂的拓扑材料。
• 建立EuMg2Bi2作为研究拓扑量子现象（如量子反常霍尔效应和轴子绝缘体态）的稳健平台。

提出的方法

• 在ALS光束线10.0.1处进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，采用Scienta R4000半球形电子能谱仪，能量分辨率<20 meV，角度分辨率<0.2°。
• 在15 K下于超高真空（5×10⁻¹¹ Torr）环境中原位解理样品，确保表面稳定，并在20小时内实现高质量测量。
• 采用VASP进行从头算电子结构计算，使用PBE泛函、自旋-轨道耦合，并对局域的Eu 4f电子引入有效U=11.0 eV。
• X射线衍射和能谱色散X射线能谱分析确认了单晶的晶体结构和化学成分。
• 利用Quantum Design PPMS系统进行输运和热力学测量，包括电阻率、比热和磁化率，磁场最高达9 T。
• DFT计算中采用9×9×3 Monkhorst-Pack k点网格和520 eV动能能级截断，以确保收敛性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本征磁性拓扑材料EuMg2Bi2中是否存在多个狄拉克态？若存在，其在动量空间中的位置如何？
• RQ2 狄拉克节点相对于费米能级的能量位置是什么？在Γ点和K点等高对称点之间有何差异？
• RQ3 在6.7 K时出现的反铁磁序如何影响电子结构及狄拉克态的拓扑特性？
• RQ4 鉴于狄拉克费米子靠近费米能级，是否可通过化学掺杂或电栅压调控？
• RQ5 位于费米能级以下约4.5 eV的f电子能带结构在多大程度上影响了体系的拓扑性质？

主要发现

• 通过高分辨率ARPES测量，在EuMg2Bi2的表面布里渊区的Γ点和K点处实验观测到多个狄拉克态。
• Γ点处的狄拉克节点位于费米能级以下375 meV，而K点处的节点位于费米能级以下340 meV，表明其具有不同的能量色散特性。
• K点处的狄拉克色散与费米能级附近的其他能带明显分离，表明杂化作用微弱，具有较高的拓扑保真度。
• 通过比热和磁化率测量中的异常现象，确认了该体系在6.7 K处存在明确的反铁磁相变。
• 从头算计算支持ARPES观测结果，显示在Γ点和K点处均存在与自旋-轨道耦合一致的狄拉克型色散，且Eu 4f电子的U值为11.0 eV。
• 在超高真空条件下，高质量单晶具有优异的稳定性，实现了长时间测量下的可重复ARPES数据，证实了所观测狄拉克态的可靠性。