[论文解读] Observation of surface states derived from topological Fermi arcs in the Weyl semimetal NbP

Ilya Belopolski, Su‐Yang Xu+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 18被引用 4

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）和从头算计算，表明尽管由于自旋-轨道耦合较弱和费米能级较低，NbP 中未观测到分辨的费米弧，它仍是一种外尔半金属。作者提出了一种基于能带弯曲和结合能依赖方向性色散的新标准，用于识别费米弧，表明将费米能级提高超过 20 meV 可能使 NbP 及类似材料中的拓扑表面态实现直接观测。

ABSTRACT

The recent experimental discovery of a Weyl semimetal in TaAs provides the first observation of a Weyl fermion in nature and demonstrates a novel type of anomalous surface state band structure, consisting of Fermi arcs. So far, work has focused on Weyl semimetals with strong spin-orbit coupling (SOC). However, Weyl semimetals with weak SOC may allow tunable spin-splitting for device applications and may exhibit a crossover to a spinless topological phase, such as a Dirac line semimetal in the case of spinless TaAs. NbP, isostructural to TaAs, may realize the first Weyl semimetal in the limit of weak SOC. Here we study the surface states of NbP by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and we find that we $ extit{cannot}$ show Fermi arcs based on our experimental data alone. We present an $ extit{ab initio}$ calculation of the surface states of NbP and we find that the Weyl points are too close and the Fermi level is too low to show Fermi arcs either by (1) directly measuring an arc or (2) counting chiralities of edge modes on a closed path. Nonetheless, the excellent agreement between our experimental data and numerical calculations suggests that NbP is a Weyl semimetal, consistent with TaAs, and that we observe trivial surface states which evolve continuously from the topological Fermi arcs above the Fermi level. Based on these results, we propose a slightly different criterion for a Fermi arc which, unlike (1) and (2) above, does not require us to resolve Weyl points or the spin splitting of surface states. We propose that raising the Fermi level by $> 20$ meV would make it possible to observe a Fermi arc using this criterion in NbP. Our work offers insight into Weyl semimetals with weak spin-orbit coupling, as well as the crossover from the spinful topological Weyl semimetal to the spinless topological Dirac line semimetal.

研究动机与目标

• 使用角分辨光电子能谱（ARPES）研究 NbP 中的表面态，NbP 是一种自旋-轨道耦合较弱的外尔半金属。
• 确定在费米能级较低和外尔点间距较小的挑战下，是否能在实验中观测到 NbP 中的拓扑费米弧。
• 建立一种新的实验标准，用于识别费米弧，且无需分辨外尔点或自旋分裂。
• 探讨在 NbP 中，非拓扑表面态如何随结合能演化为拓扑费米弧。
• 将 NbP 的表面态结构与 TaAs 进行比较，突出自旋-轨道耦合强度和外尔点间距差异造成的影响。

提出的方法

• 在 SSRL 和 SIS 光束线对 NbP 的 (001) 表面进行高分辨率 ARPES 测量，以绘制表面态色散关系。
• 对 NbP 中的表面态进行从头算计算，与实验 ARPES 数据对比，验证该体系的拓扑性质。
• 分析表面态色散，特别是花生形和棒状口袋，以评估杂化作用和轨道特征的差异。
• 利用在约 0.2 eV 结合能处观测到的色散弯曲及方向性色散趋势，提出一种新的费米弧识别标准。
• 应用基于非闭合费米面轮廓的改进型拓扑标准，该轮廓随结合能增加在某一方向上发生色散。
• 比较 NbP 与 TaAs 的表面态能带结构，突出自旋-轨道耦合和外尔点间距对费米弧可见性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管自旋-轨道耦合较弱且费米能级较低，是否仍可在 NbP 中实验观测到拓扑费米弧？
• RQ2 NbP 中非拓扑表面态与拓扑费米弧之间存在何种关系？它们如何随结合能演化？
• RQ3 能否建立一种新的实验标准，用于识别费米弧，且无需分辨外尔点或自旋分裂？
• RQ4 NbP 中的表面态结构与 TaAs 有何不同？自旋-轨道耦合在这些差异中起什么作用？
• RQ5 在 NbP 中使拓扑费米弧可见需要满足什么条件？费米能级调节如何影响这一过程？

主要发现

• NbP 的 ARPES 测量未显示费米弧的直接证据，原因在于费米能级较低和外尔点间距较小。
• 从头算计算证实，NbP 中观测到的表面态与外尔半金属相一致，非拓扑表面态在费米能级以上连续演化为拓扑费米弧。
• 提出一种新的费米弧识别标准：色散呈现弯曲特征，且随结合能增加在某一方向上发生色散，该标准独立于是否分辨外尔点或自旋分裂。
• 预测将费米能级提高超过 20 meV，可利用该新标准在 NbP 中实现费米弧的可观测性。
• NbP 中的花生形和棒状表面口袋因轨道特征不同（平面内与平面外的 d 和 p 轨道）而未发生杂化，这与 (001) 表面的 C₂ 对称性有关。
• NbP 中丰富的表面态结构可能解释了在真空紫外 ARPES 中体态能带结构不可见的原因，因为表面态已完全占据表面可用的轨道。