[论文解读] Tunable Weyl Points in Periodically Driven Nodal Line Semimetals

Zhongbo Yan, Zhong Wang|arXiv (Cornell University)|May 14, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出，在圆偏振光驱动下，周期性调制的节点线半金属（NLSMs）可通过弗洛凯工程实现可调的外尔点。光场诱导从节点线到外尔半金属的拓扑相变，产生稳定且可调控的外尔点，以及大范围可调的反常霍尔电导率，实验上可通过输运测量或泵浦-探测角分辨光电子能谱（ARPES）实现探测。

ABSTRACT

Weyl semimetals and nodal line semimetals are characterized by linear band touching at zero-dimensional points and one-dimensional lines, respectively. We predict that a circularly polarized light drives nodal line semimetals into Weyl semimetals. The Floquet Weyl points thus obtained are tunable by the incident light, which enables investigations of them in a highly controllable manner. The transition from nodal line semimetals to Weyl semimetals is accompanied by the emergence of a large and tunable anomalous Hall conductivity. Our predictions are experimentally testable by transport measurement in film samples or by pump-probe angle-resolved photoemission spectroscopy.

研究动机与目标

• 研究周期性驱动下节点线半金属（NLSMs）向外尔半金属（WSMs）的拓扑相变。
• 探究在圆偏振光（CPL）照射下，NLSMs中可调外尔点的产生机制。
• 展示在弗洛凯外尔半金属相中，产生大范围可调反常霍尔电导率（AHC）的机制。
• 提供可实验验证的预测，用于通过输运测量或ARPES探测光致外尔点与费米弧。
• 建立通过光的偏振与强度调控NLSMs拓扑性质的框架。

提出的方法

• 采用一个两能带有效哈密顿量描述无自旋NLSMs，其在零能处具有节点环，形式为 $\mathcal{H}({\bf k}) = (m - Bk^2)\tau_x + v k_z \tau_z + \epsilon_0({\bf k})\tau_0$。
• 通过弗洛凯形式化方法引入圆偏振光场，施加时间周期性微扰，使有效哈密顿量变为 $\mathcal{H}_{\rm eff}({\bf k}) = \mathcal{H}({\bf k}) + \lambda k_y \tau_y$。
• 在旋转波近似下推导有效哈密顿量，表明节点环被能隙打开并分裂为四个有限动量处的外尔点。
• 分析外尔点位置随光强与偏振的变化关系，证明通过调节激光的手性与振幅可实现其可调性。
• 将自旋-轨道耦合（SOC）作为微小扰动引入，以模拟真实NLSMs，表明外尔点生成存在临界光强阈值。
• 通过ZrSiS作为候选材料评估实验可行性，计算在实际条件下光的穿透深度、霍尔电压与ARPES可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆偏振光能否将节点线半金属驱动至外尔半金属相？
• RQ2 入射光如何调控所产生外尔点的位置与性质？
• RQ3 光致外尔相中的反常霍尔电导率的大小与可调性如何？
• RQ4 光致费米弧是否可理解为原始NLSM的鼓面表面态发生倾斜？
• RQ5 在具有微小本征自旋-轨道耦合能隙的NLSMs中，生成外尔点所需的临界激光强度是多少？

主要发现

• 圆偏振光可将节点线半金属驱动至弗洛凯外尔半金属相，节点环被能隙打开并分裂为四个外尔点。
• 外尔点高度可调：其位置可通过改变入射光的偏振与强度自由调节。
• 产生大范围反常霍尔电导率，其在低温下对光强不敏感，但当光的手性反转时，电导率符号也发生反转。
• 弗洛凯WSM中的费米弧源于原始NLSM鼓面表面态的倾斜，提供了几何解释。
• 对于ZrSiS，100 nm厚薄膜在100 mA电流与120 meV圆偏振光照射下，可产生约1 mV的可测量霍尔电压。
• 光致费米弧的费米速度可达体相费米速度的约10%，使其可通过泵浦-探测ARPES实验探测。