[论文解读] Topological Lifshitz transition in Weyl semimetal NbP decorated with heavy elements

A. S. Wadge, B.J. Kowalski+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 22被引用 6

一句话总结

本研究在NbP的P-terminated表面原位沉积1单层（ML）Pb后，展示了外尔半金属NbP中的拓扑Lifshitz转变（TLT），诱导了相邻布里渊区中Weyl点之间的拓扑费米弧量子 teleportation。角分辨光电子能谱（ARPES）显示，Pb修饰使费米能级发生偏移，并重新配置表面费米弧（SFAs），同时保持其拓扑保护性；而Nb沉积（0.8 ML）则诱导出未完成TLT的前驱态。

ABSTRACT

Studies of the Fermi surface modification after in-situ covering NbP semimetal with heavy elements Pb and Nb ultrathin layers were performed by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). First, the electronic structure was investigated for pristine single crystals with two possible terminations (P and Nb) of the (0 0 1) surface. The nature of the electronic states of these two cleaving planes is different: P-terminated surface shows spoon and bow tie shaped fingerprints, whereas these shapes are not present in Nb-terminated surfaces. ARPES studies show that even 1 monolayer (ML) of Pb causes topological quantum Lifshitz transition (TQLT) in P- and Nb-terminated surfaces. Deposited Pb 5d electrons have wide extended atomic orbitals which leads to strong hybridization with Pb-terminated surface and a corresponding shift in the Fermi energy. Nb has less capability to perturb the system than Pb because Nb has weaker spin-orbit coupling than Pb. Nb-terminated surface subjected to surface decoration with approximately 1.3 ML of Nb shows no dramatic modification in the Fermi surface. In the case of Nb decorated P-terminated surface, deposition of approximately 1 ML modifies the electronic structure of NbP and it is on the verge of TQLT. Despite the strong spin-orbit and strong hybridization of the heavy elements on the surface, it is possible to observe the TQLT of the surface states thanks to the robustness of the bulk topology.

研究动机与目标

• 研究重元素封盖（Pb、Nb）如何改变外尔半金属NbP的电子结构。
• 确定表面重元素修饰是否在NbP中诱导出拓扑Lifshitz转变（TLT）。
• 考察表面终止（P-终止与Nb-终止）在调控拓扑保护表面态出现中的作用。
• 探索通过封盖层等外部扰动控制费米弧连通性与拓扑结构的潜力。
• 在强自旋-轨道耦合与杂化作用下，区分拓扑与平凡Lifshitz转变。

提出的方法

• 在SOLARIS同步辐射装置的UARPES束线进行高能量分辨率（1.8 meV）和高角度分辨率（0.1°）的角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 在超高真空（UHV）条件下，对解理的NbP单晶表面原位沉积Pb（1 ML）和Nb（0.8 ML）。
• 系统性地对P-终止与Nb-终止的（001）表面进行ARPES测量，比较封盖前后的能带结构与费米面演化。
• 通过核心能级谱确认封盖后的元素组成与界面化学性质。
• 对比恒能等高线与高对称路径（如Γ–X、M–Y等）上的能带色散，识别表面态与费米弧的再配置。
• 利用三维强度图可视化不同封盖条件下费米面拓扑结构的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在P-终止的NbP表面沉积1 ML Pb是否诱导出拓扑Lifshitz转变（TLT）？
• RQ2 Pb封盖后，费米面与表面费米弧（SFA）的连通性如何变化？Weyl点的手性在此过程中起何作用？
• RQ3 0.8 ML Nb封盖对P-终止NbP的电子结构有何影响？是否驱动系统进入TLT？
• RQ4 在Nb-终止与P-终止的NbP表面，平凡与拓扑表面态对Pb封盖的响应有何不同？
• RQ5 具有强自旋-轨道耦合与杂化的重元素是否能诱导与轻元素封盖不同的拓扑转变？

主要发现

• 在P-终止的NbP表面沉积1 ML Pb可诱导出拓扑Lifshitz转变（TLT），导致表面费米弧（SFAs）在相邻布里渊区的Weyl点之间发生量子 teleportation。
• 该TLT伴随着可测量的费米能级偏移与费米面的重新配置，ARPES能带色散与恒能等高线结果已证实此现象。
• 即使在沉积1 ML Pb后，SFAs仍与手性相反的拓扑保护Weyl点相连，保持了拓扑保护性。
• 在P-终止NbP表面沉积0.8 ML Nb可诱导TLT的前驱态，改变电子结构但未触发完整的拓扑转变。
• 在Nb-终止表面，沉积1.9 ML Pb仅引起平凡Lifshitz转变，改变平凡表面态但未引发拓扑再配置。
• P-终止表面表现出独特的汤匙状与蝴蝶结状表面态，而Nb-终止表面则无此特征，表明其具有本征的表面终止依赖性。