[论文解读] Observation of topological nodal-loop state in RAs3 (R = Ca, Sr)

M. Mofazzel Hosen, Baokai Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用 4

一句话总结

本研究通过高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）结合第一性原理计算，首次实验观测到SrAs₃中拓扑节点环态及鼓头形表面态。节点环位于布里渊区的Y点，表面态在Γ点周围形成鼓头状色散，而CaAs₃在类似条件下保持拓扑 trivial，确立了RAs₃作为研究拓扑量子相的最小、对称性保护平台。

ABSTRACT

Topological nodal-line semimetals (NLSs) are unique materials, which harbor one-dimensional line nodes along with the so-called drumhead surface states arising from nearly dispersionless two dimensional surface bands. However, a direct observation of these drumhead surface states in the currently realized NLSs has remained elusive. Here, by using high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) along with parallel first principles calculations, we examine the topological characteristics of SrAs3 and CaAs3. SrAs3 is found to show the presence of a topological nodal-loop, while CaAs3 is found to lie near a topologically trivial phase. Our analysis reveals that the surface projections of the bulk nodal-points in SrAs3 are connected by drumhead surface states. Notably, the topological states in SrAs3 and CaAs3 are well separated from other irrelevant bands in the vicinity of the Fermi level. These compounds thus provide a hydrogen-like simple platform for developing an in-depth understanding of the quantum phase transitions of NLSs.

研究动机与目标

• 通过实验与理论方法，识别并表征RAs₃（R = Ca, Sr）中的拓扑节点环态。
• 确定CaAs₃与SrAs₃是否具有拓扑表面态，特别是鼓头态，并分析其在拓扑特性上的差异。
• 研究晶体对称性与自旋-轨道耦合在稳定或关闭节点环态中的作用。
• 确立RAs₃作为研究节点线半金属与拓扑绝缘体之间拓扑相变的最小、洁净平台。
• 提供一种类氢原型体系，具有最小对称性保护，且在费米能级附近存在孤立的拓扑态。

提出的方法

• 采用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量SrAs₃与CaAs₃表面的电子能带结构。
• 基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，用于模拟体相能带结构并预测拓扑特征。
• 在有无自旋-轨道耦合（SOC）的条件下进行计算，以评估其对节点环稳定性和表面态形成的影响。
• 利用光子能量依赖的ARPES测量提取动量分辨色散图，并确认表面态的连通性。
• 分析体相节点点在表面的投影，以验证动量空间中连接节点点的鼓头态的存在。
• 通过输运测量与电阻率数据，佐证电子结构结果，特别是CaAs₃中较大的电阻率表明存在能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrAs₃是否在时间反演对称性与空间反演对称性保护下存在拓扑节点环态？
• RQ2 在SrAs₃中是否观测到鼓头形表面态，且其是否连接动量空间中体相节点点的投影？
• RQ3 自旋-轨道耦合如何影响CaAs₃的拓扑性质，是否驱动其发生拓扑相变？
• RQ4 为何RAs₃中的拓扑态在费米能级附近与其他金属能带相隔离，从而实现清晰观测？
• RQ5 RAs₃体系能否作为研究拓扑量子相变的最小、对称性保护平台？

主要发现

• 在SrAs₃中首次实验观测到以布里渊区Y点为中心的拓扑节点环态，其投影环尺寸在k_y方向约为0.30 Å⁻¹。
• 在SrAs₃中直接观测到鼓头形表面态，形成围绕Γ点的闭合、平面内色散，为该几何构型下的首次观测。
• 当包含自旋-轨道耦合时，CaAs₃表现出几乎简并的表面态，但因费米能级附近存在清晰能隙，仍保持拓扑 trivial。
• SrAs₃中的节点环受时间反演对称性与空间反演对称性保护，且晶体对称性要求最低，使其成为最小的拓扑系统。
• ARPES数据表明，SrAs₃与CaAs₃中的拓扑态在费米能级附近与其他能带明显分离，有利于清晰识别拓扑特征。
• 输运测量证实，CaAs₃在2 K时电阻率高达260 Ω·cm，与存在能隙的拓扑 trivial 态一致。