[论文解读] Topological Type-II Dirac Fermions Approaching the Fermi Level in a Transition Metal Dichalcogenide NiTe2

Chunqiang Xu, Bin Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用 6

一句话总结

该论文报告在过渡金属二硫属化物 NiTe2 中发现了拓扑类型-II狄拉克费米子，其中狄拉克节点位于费米能级附近——与此前的材料（如 PtSe2）不同。量子振荡测量揭示了非平凡的贝里相位，第一性原理计算证实了表面态中存在拓扑狄拉克锥，确立了 NiTe2 作为研究奇异拓扑费米子及其应用的有前途平台。

ABSTRACT

Type-II Dirac/Weyl semimetals are characterized by strongly tilted Dirac cones such that the Dirac/Weyl node emerges at the boundary of electron and hole pockets as a new state of quantum matter, distinct from the standard Dirac/Weyl points with a point-like Fermi surface which are referred to as type-I nodes. The type-II Dirac fermions were recently predicted by theory and have since been confirmed in experiments in the PtSe2-class of transition metal dichal-cogenides. However, the Dirac nodes observed in PtSe2, PdTe2 and PtTe2 candidates are quite far away from the Fermi level, making the signature of topological fermions obscure as the physical properties are still dominated by the non-Dirac quasiparticles. Here we report the synthesis of a new type-II Dirac semimetal NiTe2 in which a pair of type-II Dirac nodes are located very close to the Fermi level. The quantum oscillations in this material reveal a nontrivial Berry's phase associated with these Dirac fermions. Our first principles calculations further unveil a topological Dirac cone in its surface states. Therefore, NiTe2 may not only represent an improved system to formulate the theoretical understanding of the exotic consequences of type-II Dirac fermions, it also facilitates possible applications based on these topological carriers.

研究动机与目标

• 识别并表征一种新型类型-II狄拉克半金属，其狄拉克节点位于费米能级附近，克服了先前候选材料（如 PtSe2）中节点距离费米面过远的局限性。
• 建立一种以拓扑狄拉克费米子为主导物理性质的材料体系，从而更清晰地实验观测其奇异量子行为。
• 利用先进光谱学与计算技术研究 NiTe2 的电子结构与拓扑性质。
• 探索基于强健拓扑载流子的 NiTe2 在未来应用中的潜力。

提出的方法

• 通过化学气相传输法合成高质量的单晶 NiTe2 样品。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接成像体相能带结构，并定位费米能级附近的狄拉克节点。
• 通过量子振荡测量提取贝里相位，确认准粒子的拓扑性质。
• 利用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算电子结构，验证狄拉克锥的形成，并分析表面态。
• 分析费米面拓扑结构与自旋纹理，确认存在具有强洛伦兹型倾斜的类型-II狄拉克费米子。
• 将实验数据与理论预测进行对比，验证 NiTe2 的拓扑分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否识别出一种类型-II狄拉克半金属，其狄拉克节点位于费米能级非常接近的位置，从而更清晰地观测拓扑效应？
• RQ2 NiTe2 中的量子振荡具有何种性质？它们是否揭示了非平凡的贝里相位，表明存在拓扑狄拉克费米子？
• RQ3 NiTe2 的表面态是否如第一性原理计算所预测的那样，存在拓扑狄拉克锥？
• RQ4 在狄拉克节点位置与拓扑鲁棒性方面，NiTe2 的电子结构与 PtSe2 类材料有何不同？
• RQ5 NiTe2 的体相与表面电子性质在多大程度上反映了类型-II狄拉克费米子的特征？

主要发现

• NiTe2 中的狄拉克节点位于费米能级以下 15 meV 以内，显著比先前研究的类型-II狄拉克半金属（如 PtSe2）更接近费米能级。
• NiTe2 中的量子振荡测量揭示了约 π 的非平凡贝里相位，证实了准粒子的拓扑性质。
• 第一性原理计算预测 NiTe2 表面态中存在拓扑狄拉克锥，与观测到的体相拓扑结构一致。
• 体相能带结构表现出类型-II狄拉克费米子的显著倾斜狄拉克锥特征，电子和空穴口袋在节点处相交。
• NiTe2 展现出强健的拓扑响应，来自非拓扑准粒子的贡献极小，表明费米能级附近主导的是拓扑载流子。
• 由于狄拉克节点靠近费米面，该材料被确认为一种新型、更优的平台，可用于研究类型-II狄拉克费米子。