Semimetale Diraca

Grafen i izolatory topologiczne to dwa materiały, które wzbudzają ogromne zainteresowanie na rynku materiałowym. Teraz do czołówki dołączyły semimetale Diraca. Wszystkie te materiały charakteryzują się niezwykle interesującymi właściwościami fizycznymi, ich struktura elektronowa jest unikalna i stanowi pole do wielu nowych odkryć.

Nodalne semimatele Diraca są materiałami, które z punktu widzenia struktury elektronowej mogą być rozumiane jako trójwymiarowy analog grafenu. W grafenie, tak jak i w semimetalach, występują punkty Diraca. Dyskretne punkty Diraca powstają w miejscach styku pasm przewodnictwa i pasm walencyjnych. Przykładem takich związków są Na₃Bi i Cd₃As₂.

Ciekawa struktura elektronowa LaAgSb₂

Czytając wcześniejsze publikacje na temat związku LaAgSb₂, będącego semimetalem Diraca, naukowcy z SOLARIS zainteresowali się jego nietrywialnym charakterem topologicznym. We współpracy ze specjalistami z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, wykonali obliczenia teoretyczne, które następnie postanowili potwierdzić eksperymentalnie. Do badań wykorzystano technikę kątoworozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES) dostępną na linii URANOS. Otrzymane wyniki są zaskakujące i przeczą dotychczasowym przewidywaniom nt. tego związku.

Więcej na temat publikacji mówi Marcin Rosmus, pierwszy autor pracy:

„Nasz eksperyment oraz obliczenia teoretyczne wykazały istnienie linii nodalnych Diraca, które wynikają z symetrii układu lub zanikania rozszczepienia spin-orbita. Ponadto pokazaliśmy, że liniowe pasma nie tworzą powierzchniowych stanów Diraca, co zostało potwierdzone za pomocą obliczeń teoretycznych wykonanych dla różnych terminacji powierzchni próbki. Dotychczasowe przewidywania dla tego związku mówiły o istnieniu struktury stożkowej Diraca w pobliżu poziomu Fermiego. Nasze wyniki temu zaprzeczają.”

Rys.1. Struktura pasmowa wzdłuż kierunków przedstawionych na powierzchni Fermiego (a). Teoretyczna funkcja spektralna (po lewej) i teoretyczna struktura pasmowa (po prawej) wzdłuż ścieżki Γ – M dla skończonego układu (b) i powiązana struktura objętościowa (c). Struktura pasmowa (d) obliczona dla skończonej liczby warstw wzdłuż kierunków na (a) . Teoretyczne przewidywanie funkcji spektralnej z wykorzystaniem metody powierzchniowej funkcji Greena przedstawiono na (e). Panele (f – k) pokazują widma doświadczalne zarejestrowane za pomocą pomiarów ARPES przy energii hν = 66 eV w temperaturze 12 K (lewe panele) i ich dwuwymiarowe krzywizny (prawy panel) wzdłuż różnych cięć z (a).

Cała publikacja dostępna tutaj:

M. Rosmus, N. Olszowska, Z. Bukowski, P. Starowicz, P. Piekarz, and A. Ptok, Electronic Band Structure and Surface States in Dirac Semimetal LaAgSb2, Materials 15, 7168 (2022). 

Autor: Marcin Rosmus

Semimetale Weyla

Fosforek niobu jest bardzo ciekawym materiałem, reprezentantem tzw. semimetali Weyla. Semimetale Wayla charakteryzują się występowaniem fermionów Weyl'a w masie (czyli bezmasowych cząstek o spinie 1/2) i łuków Fermiego na powierzchni. Niezwykle duża ruchliwość naładowanych fermionów Weyl'a w semimetalach może znaleźć swoje zastosowanie w elektronice i informatyce. Badania nad semimetalami dostarczają nie tylko fizycznych ciekawostek, ale prowadzą także do powstania materiałów nowej elektroniki.

Naukowcy z Instytutu Fizyki w Warszawie wyhodowali pojedyncze kryształy NbP i scharakteryzowali ich właściwości powierzchniowe za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES) na linii URANOS (wcześniej UARPES) w SOLARIS.

Nieoczekiwana modyfikacja powierzchni Fermiego

Ashutosh S. Wadge (International Research Centre MagTop, Instytut Fizyki PAN), pierwszy autor pracy opublikowanej w Physical Review B wyjaśnia szczegółowo zjawisko w następujący sposób:

Fosforek niobu (NbP) jest reprezentatywnym przykładem tzw. semimetali Weyla. Materiały te mają nietypową strukturę pasmową, w której liniowe  pasma walencyjne i przewodnictwa spotykają się w dyskretnych punktach Weyla. Inną ważną cechą semimetali Weyla jest obecność powierzchniowych łuków Fermiego, które łączą na powierzchniowym rzucie pary punktów Weyla o przeciwnej chiralności. Powierzchniowe łuki Fermiego są unikalnymi otwartymi powierzchniami Fermiego, które są niepodobne do zamkniętych powierzchni Fermiego w konwencjonalnych materiałach i dają początek wielu egzotycznym zjawiskom, takim jak anomalne oscylacje kwantowe, chiralne efekty magnetyczne, trójwymiarowy kwantowy efekt Halla i anomalne transmisje  fal elektromagnetycznych. Ponieważ te intrygujące zjawiska dotyczą głównie powierzchniowych łuków Fermiego , stąd z punktu widzenia badań podstawowych i zastosowań bardzo istotne jest znalezienie efektywnego sposobu kontroli i modyfikacji łuków Fermiego, np. przełączania ich pomiędzy parami punktów Weyla.  Badaliśmy właściwości elektronowe powierzchni NbP o terminacji fosforowej  i niobowej  po osadzeniu ołowiu i niobu. Zaobserwowano nieoczekiwaną modyfikację powierzchni Fermiego jedną monowarstwą Pb, która wpłynęła na łuki Fermiego w taki sposób, że zamieniła parę punktów Weyla i połączyła dwie sąsiednie strefy Brillouina. Tę zmianę powierzchni Fermiego przypisuje się topologicznemu przejściu Lifshitza z zachowaną charakterystyką topologiczną nawet po zaburzeniu powierzchni. Co ciekawe, 1.9 ML Pb na Nb-terminowanym NbP wykazało zwykłe przejście Lifshitza bez wpływu na łuki Fermiego, podczas gdy 0.8 ML Nb na powierzchni o terminacji P zmodyfikowało powierzchnię Fermiego z częściowym topologicznym przejściem Lifshitza.  

Rys. 1. Porównanie trójwymiarowych wykresów intensywności NbP.  Rysunek przedrukowany za zgodą A.S. Wadge et.al, Physical Review B 105, 235304 (2022). Copyright (2022) by American Physical Society.

Link do publikacji:

A. S. Wadge, B. J. Kowalski, C. Autieri, P. Iwanowski, A. Hruban, N. Olszowska, M. Rosmus, J. Kolodziej, and A. Wisniewski, Topological Lifshitz Transition in Weyl Semimetal NbP Decorated with Heavy Elements, Phys Rev B 105, 235304 (2022).

Magnetyczne izolatory topologiczne

Joanna Sitnicka, doktorantka na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i pierwsza autorka publikacji, podsumowuje dla nas główne wnioski zawarte w publikacji:

Badaliśmy rodzinę samoorganizujących się magnetycznych izolatorów topologicznych MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n. Strukturę tych materiałów stanowią naprzemienne sekwencje magnetycznych warstw siedmiokrotnych (SLs) MnBi₂Te₄ oraz warstw pięciokrotnych (QLs) Bi₂Te₃ (Rys. 1(a)).

Przeprowadziliśmy analizę strukturalną oraz analizę składu chemicznego ferromagnetycznych próbek MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n, o różnych odległościach n pomiędzy sąsiednimi SLs i skorelowaliśmy je z właściwościami magnetycznymi badanymi metodą spektroskopii rezonansu ferromagnetycznego (FMR) oraz z właściwościami pasmowej struktury elektronowej powierzchni badanej metodą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES). Nasza analiza strukturalna ujawniła defekty w postaci Mn zastępującego Bi w QLs oraz wakancje Mn w SLs (Rys. 1(b)). Taka migracja Mn pomiędzy SLs a niemagnetycznymi QLs, która jest schematycznie pokazana na Rys. 1(c), powoduje systemowe konsekwencje dla materiału. Wywołuje ona ferromagnetyczne sprzężenie zubożonych w Mn SLs z domieszkowanymi Mn QLs, co jest widoczne w FMR jako akustyczne i optyczne mody rezonansowe dwóch sprzężonych podsystemów spinowych (Rys. 1(d)). Ma to również silny wpływ na strukturę pasmową powierzchni. Pomiary ARPES wsparte badaniami teorii funkcjonałów gęstości pokazują, że nieuporządkowanie Mn w obrębie SL prowadzi do delokalizacji funkcji falowych elektronów i silnie zmienia strukturę pasm powierzchniowych w porównaniu z idealnym MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n (Rys. 1(e)).

Rys. 1 (a) Obraz ze skaningowo-transmisyjnego mikroskopu elektronowego z wysokokątowym pierścieniowym detektorem ciemnego pola (HAADF) uwidaczniający warstwy septetowe w matrycy kwintetowej. Bi jako najcięższy pierwiastek jest obrazowany z największą intensywnością. Mangan jest wbudowany w środkową część warstwy septetowej. Warstwy septetowe i sąsiednie warstwy kwintetowe są oddzielone przerwą van der Waalsa. (b) Fragment supersieci MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n w jednej z badanych próbek. Mapowanie metodą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Rozmieszczenie atomów Mn zaznaczono na żółto a atomów Bi na niebiesko. Widoczny jest Mn podstawiony w miejscu Bi w Bi₂Te₃. (c) Schematyczne przedstawienie nieporządku w rozmieszczeniu Mn - ubytek Mn w warstwie septetowej i jego obecność w warstwie kwintetowej. (d) (górny panel) Rezonans ferromagnetyczny w jednej z badanych próbek pokazuje rozszczepienie linii rezonansowej na dwa mody, akustyczny i optyczny, dwóch sprzężonych podsieci spinowych. Dolny panel pokazuje anizotropię sygnału rezonansowego zmierzoną w temperaturze 5 K. Dwa widoczne mody nigdy nie przecinają się w zależności kątowej, co jest charakterystyczne dla rezonansu ferromagnetycznego w warstwach sprzężonych i pozwala odróżnić sygnał od warstw niesprzężonych. (e) Dane ARPES nieuporządkowanego MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n otrzymane wzdłuż kierunku Γ→Μ przy energiach fotonów 54 eV i 20 eV porównane z obliczeniami DFT dla struktury 2QLSL- 2QL-SL z 50% atomów Mn w warstwach septetowych zastąpionymi przez Bi.

Cała publikacja dostępna poniżej:

J. Sitnicka et al., Systemic Consequences of Disorder in Magnetically Self-Organized Topological MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)_n Superlattices, 2d Mater 9, 015026 (2022).

Antyferromagnetyczny związek warstwowy Co_1/3NbS₂

Naukowcy posłużyli się techniką kątowo rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów, aby uzyskać szczegółowy wgląd w złożone oddziaływania elektron-elektron i elektron-sieć w badanym związku krystalicznym. Obserwowana struktura elektronowa Co_1/3NbS₂  przypomina strukturę materiału macierzystego 2H-NbS₂, jednakże zaobserwowano pewne znaczące odstępstwa, których nie można interpretować jako przesunięcia pasm z niewielkimi deformacjami. 

Pierwszy autor publikacji, dr Petar Popčević, wyjaśnia główną ideę przeprowadzonego eksperymentu: 

Materiały zbudowane z naprzemiennych metalicznych i magnetycznych warstw atomowych wciąż zaskakują dostarczając nowych porządków magnetycznych i nowych stanów elektronowych. Co_1/3NbS₂ reprezentuje tę klasę materiałów. Wykazuje wyraźną frustrację magnetyczną oraz najniższą temperaturę porządkowania magnetycznego wśród podobnych układów. W artykule przedstawiamy badania struktury elektronowej za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES), którym towarzyszy obszerne porównanie z obliczeniami ab initio i modelowaniem. Otrzymane dane sugerują, że magnetyczne jony Co stanowią dominujące mostki dla przewodnictwa elektrycznego w kierunku prostopadłym do warstw. Charakter tego połączenia silnie zależy od konfiguracji magnetycznej. Uważa się, że silne mieszanie translacyjnych i magnetycznych stopni swobody jest odpowiedzialne za pasmo obserwowane na poziomie Fermiego, w postaci wieńca złożonego z płytkich i szerokich kieszeni elektronowych. Pasmo to nie jest przewidywane przez zwykłe obliczenia struktury elektronowej co wskazuje na silne korelacje w układzie elektronowym, ze  sprzężeniem między warstwami pełniącym bardzo istotną rolę.

Rys.1. Widma elektronowe obliczone dla Co_1/3NbS₂ w szczególnym stanie uporządkowania antyferromagnetycznego. 

Cała publikacja dostępna poniżej:

P. Popcevic et al., Role of Intercalated Cobalt in the Electronic Structure of Co_1/3NbS₂, Phys Rev B 105, 155114 (2022).