[论文解读] Strong Anisotropy of Dirac Cone in SrMnBi2 and CaMnBi2 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Ya Feng, Zhijun Wang+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用 6

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）证明，SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 中存在强各向异性的狄拉克锥，其不同的电子结构源于自旋-轨道耦合差异以及 A 位离子（Sr 与 Ca）在 Bi 平面网上下方的空间排布。关键发现是，CaMnBi₂ 展现出孤立的、巨大各向异性的狄拉克锥，而 SrMnBi₂ 由于自旋-轨道耦合增强，其较低狄拉克分支出现能隙，从而确立了 AMnBi₂ 体系作为调控狄拉克锥各向异性的可调平台。

ABSTRACT

The Dirac materials, such as graphene and three-dimensional topological insulators, have attracted much attention because they exhibit novel quantum phenomena with their low energy electrons governed by the relativistic Dirac equations. One particular interest is to generate Dirac cone anisotropy so that the electrons can propagate differently from one direction to the other, creating an additional tunability for new properties and applications. While various theoretical approaches have been proposed to make the isotropic Dirac cones of graphene into anisotropic ones, it has not yet been met with success. There are also some theoretical predictions and/or experimental indications of anisotropic Dirac cone in novel topological insulators and AMnBi2 (A=Sr and Ca) but more experimental investigations are needed. Here we report systematic high resolution angle-resolved photoemission measurements that have provided direct evidence on the existence of strongly anisotropic Dirac cones in SrMnBi2 and CaMnBi2. Distinct behaviors of the Dirac cones between SrMnBi2 and CaMnBi2 are also observed. These results have provided important information on the strong anisotropy of the Dirac cones in AMnBi2 system that can be governed by the spin-orbital coupling and the local environment surrounding the Bi square net.

研究动机与目标

• 通过实验确认理论预测但尚未被确凿观测到的 SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 中强各向异性狄拉克锥的存在。
• 研究 AMnBi₂（A = Sr, Ca）材料中狄拉克锥各向异性的起源，特别是自旋-轨道耦合与 Bi 平面网附近局域晶体环境的作用。
• 解决先前能带结构计算与实验观测之间的差异，尤其是关于 CaMnBi₂ 中狄拉克锥的存在性与拓扑性质的问题。
• 提供直接的实验证据，阐明 Sr 或 Ca 离子在 Bi 平面网上下方的排布如何调控狄拉克锥色散关系与费米面拓扑结构。

提出的方法

• 在原位解理的 SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 单晶上进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，使用 He-Iα 光源（hν = 21.218 eV），能量分辨率达 20 meV，角分辨率达 ~0.3°。
• 通过解理多晶金接触的费米边对费米能级进行标定，确保能量校准的准确性。
• 采用全势线性化增广平面波（FP-LAPW）方法进行电子结构计算，交换关联泛函采用 GGA-PBE，并通过二次变分程序引入自旋-轨道耦合。
• 带结构计算采用 13×13×5 的 k 点网格，球形截断半径设为 2.50 bohrs，RminKmax = 7.0 以保证收敛性。
• 从 ARPES 数据中提取等能轮廓与费米面图，并与计算的能带结构对比，以验证观测到的狄拉克锥各向异性的可靠性。
• 沿特定动量方向（如 Γ–M 和 X–M）分析切片剖面，评估色散各向异性和能隙打开行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 是否如能带结构计算所预测的那样，具有强各向异性的狄拉克锥？
• RQ2 Sr 或 Ca 离子在 Bi 平面网上下方的排布如何影响狄拉克锥色散关系与费米面拓扑结构？
• RQ3 尽管晶体结构相似，为何 SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 展现出不同的费米面形态与狄拉克分支可见性？
• RQ4 自旋-轨道耦合在这些材料中狄拉克锥的能隙打开与各向异性中起多大作用？
• RQ5 AMnBi₂ 体系是否可作为可调平台，通过化学替代或结构调控实现狄拉克锥各向异性的工程化？

主要发现

• ARPES 测量证实，SrMnBi₂ 和 CaMnBi₂ 均存在强各向异性的狄拉克锥，其中 CaMnBi₂ 中的狄拉克锥表现出巨大各向异性。
• 在 SrMnBi₂ 中，仅能观测到较低狄拉克分支，这是由于沿 Γ–M 方向自旋-轨道耦合诱导的较大能隙（~100 meV）所致，而较高分支位于费米能级以上。
• 在 CaMnBi₂ 中，可观测到较低和较高狄拉克分支，且较高分支在 X 点附近费米能级以下交叉，表明其能隙较小（~50 meV），小于 SrMnBi₂ 中的值。
• SrMnBi₂ 的费米面由四个离散的强强度段组成，而 CaMnBi₂ 展现出一个大的菱形费米口袋，与能带结构计算结果一致。
• ARPES 与计算所得的等能轮廓显示，在两种材料中沿 Γ–M 对角线均存在新月形费米口袋，实验与理论结果高度吻合。
• 沿 Γ–M 方向的能带色散在 CaMnBi₂ 中显著更平坦，归因于 Ca 的错列排布导致杂化作用减弱，色散减小，与 Sr 的共格排布相比更为明显。