[论文解读] Surface vs bulk electronic structures of a moderately correlated topological insulator YbB6 revealed by ARPES

Nan Xu, C. E. Matt+15 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 7

一句话总结

本研究利用角度分辨光电子能谱（ARPES）解析了YbB6的表面态与体态电子结构，YbB6是一种候选的中等关联拓扑绝缘体。结果表明，Yb 4f态位于费米能级以下1–2.3 eV处，与第一性原理预测相反；同时识别出两种不同的表面态：具有狄拉克锥形色散关系的三组电子型费米面，以及自旋极化的表面态，表明存在拓扑保护；此外，还观察到由1×2表面重构引起的空穴型口袋态。

ABSTRACT

Systematic angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) experiments have been carried out to investigate the bulk and (100) surface electronic structures of a topological mixed-valence insulator candidate, YbB6. The bulk states of YbB6 were probed with bulk-sensitive soft X-ray ARPES, which show strong three-dimensionality as required by cubic symmetry. Surprisingly the measured Yb 4f states are located around 1 eV and 2.3 eV below the Fermi level (EF), instead of being near EF as indicated by first principle calculations. The dispersive bands near EF are B 2p states, which hybridize with the 4f states. Using surface-sensitive vacuum-ultraviolet ARPES, we revealed two-dimensional surface states which form three electron-like Fermi surfaces (FSs) with Dirac-cone-like dispersions. The odd number of surface FSs gives the first indication that YbB6 is a moderately correlated topological insulator. The spin-resolved ARPES measurements provide further evidence that these surface states are spin polarized with spin locked to the crystal momentum. We have observed a second set of surface states with different topology (hole-like pockets). Clear folding of the bands suggest their origin from a 1X2 reconstructed surface. The topological property of the reconstructed surface states needs further studies.

研究动机与目标

• 解析YbB6的电子结构，YbB6是一种具有中等电子关联效应的候选拓扑绝缘体。
• 确定YbB6中的表面态是否表现出狄拉克锥形色散关系，从而指示其具有拓扑保护特性。
• 澄清实验观测结果与第一性原理计算在Yb 4f态位置上的矛盾之处。
• 研究表面重构在调控电子态（特别是空穴型口袋态的出现）中的作用。

提出的方法

• 采用对体相敏感的软X射线ARPES，探测YbB6的三维体相电子结构。
• 利用对表面敏感的真空紫外ARPES，获取(100)表面的二维表面态信息。
• 开展自旋分辨ARPES测量，以确认表面态中自旋与动量的锁定关系。
• 通过分析能带折叠模式，识别表面重构效应（如1×2重构）。
• 将实验数据与第一性原理计算进行对比，评估电子关联效应及能级位置。
• 绘制费米面拓扑结构，以识别电子型与空穴型表面口袋态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在YbB6中，Yb 4f态相对于费米能级的位置在哪里？与理论预测相比有何差异？
• RQ2 YbB6中的表面态是否表现出狄拉克锥形色散关系与自旋极化？这是否表明存在拓扑保护？
• RQ3 第二组具有空穴型费米面口袋态的表面态的起源是什么？
• RQ4 表面重构在YbB6中如何影响观测到的电子结构？
• RQ5 YbB6中的电子关联效应在多大程度上改变了体相与表面的电子性质？

主要发现

• YbB6中的Yb 4f态位于费米能级以下约1 eV和2.3 eV处，与第一性原理计算预测其位于费米能级附近的结果相矛盾。
• 靠近费米能级的色散能带主要由B 2p态构成，且与Yb 4f态发生杂化。
• 观察到三组具有狄拉克锥形色散关系的电子型费米面，表明存在拓扑表面态。
• 自旋分辨ARPES证实，这些表面态具有自旋极化，且自旋方向与动量锁定，这是拓扑保护的典型特征。
• 识别出第二组具有空穴型费米面口袋态的表面态，其成因可能与1×2表面重构有关。
• 表面态中的能带折叠模式提供了表面重构的明确证据，但这些态的拓扑性质仍需进一步研究。