[论文解读] Topological Nodal-Line Fermions in the Non-Centrosymmetric Superconductor Compound PbTaSe2

Guang Bian, Tay‐Rong Chang+19 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 25

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）、第一性原理密度泛函理论（DFT）计算和理论分析相结合的方法，在非中心对称超导体PbTaSe2中识别出拓扑节点线费米子。这些节点线受镜像对称性保护，并由整数拓扑不变量表征，标志着在具有螺旋超导性和p波配对潜力的超导体系中首次实现此类拓扑态。

ABSTRACT

We report the identification of a Topological Nodal-Line Semimetal state in PbTaSe2.

研究动机与目标

• 在非中心对称超导体PbTaSe2中识别并表征拓扑节点线费米子。
• 确定节点线的拓扑保护机制，特别是镜像对称性和自旋-轨道耦合的作用。
• 研究PbTaSe2中拓扑节点线态与本征超导性的相互作用。
• 探索非平庸表面态的出现及其与非传统超导性的潜在关联。
• 建立一个研究节点线费米子与超导性共存所引发的奇异量子现象的平台。

提出的方法

• 采用PbCl2作为输运剂，在超高真空条件下通过化学气相传输（CVT）法生长PbTaSe2单晶。
• 在液氮温度下进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，能量分辨率<20 meV，动量分辨率~表面布里渊区的1%。
• 采用规范守恒赝势在GGA-PBE框架下进行第一性原理DFT计算，并自洽地包含自旋-轨道耦合。
• 通过将Wannier轨道投影到Pb p、Ta s/d和Se p轨道上，构建紧束缚模型以模拟表面电子结构。
• 计算拓扑不变量以确认节点线的非平庸性质，系统由于镜像对称性表现出整数不变量。
• 在77 K下进行扫描隧道显微镜（STM）测量，以原子尺度探测表面态和电子结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 PbTaSe2的能带结构具有何种拓扑特性？其电子能谱中是否存在受保护的节点线？
• RQ2 PbTaSe2中的节点线由哪些对称性保护？这些对称性如何影响拓扑不变量？
• RQ3 ARPES中观测到的表面态与体相节点线结构有何关联？
• RQ4 PbTaSe2中的本征超导性能否与拓扑节点线态共存并影响其性质？
• RQ5 由于存在拓扑节点线，该体系中非传统超导性（如p波配对）的潜力如何？

主要发现

• ARPES测量直接观测到PbTaSe2体相能带结构中的一维节点线，通过电子能带色散在动量空间的映射得到证实。
• 该节点线受镜像对称性保护，并由非平庸的整数拓扑不变量表征，与外尔半金属相区别。
• 第一性原理DFT计算再现了节点线结构，并证实自旋-轨道耦合与非中心对称晶体结构在稳定拓扑态中的关键作用。
• 在费米能级附近观测到非平庸的表面态，与拓扑节点线半金属的体-边对应关系一致。
• Pb轨道的参与以及本征超导性的存在，提示拓扑节点线态与螺旋超导性可能存在共存。
• 由于扩展的节点线，系统在费米能级表现出高态密度，增强了如p波配对等相互作用驱动不稳定性的可能性。