Observation of Flat Bands in Type-II Weyl Semimetal TaRhTe$_{4}$

Definizione del Problema
Le bande piatte — bande elettroniche con dispersione di energia nulla su un intervallo di momento — sono state teoricamente predette per decenni, ma sono state realizzate solo di recente in specifici materiali quantistici, come il grafene a bi-strato con angolo magico, i reticoli Kagome e Lieb, e certi composti di terre rare. Sebbene questi stati siano noti per ospitare proprietà esotiche come la superconduttività e il magnetismo grazie alla loro alta densità di stati, sono raramente osservati nei semimetalli di Weyl, in particolare in sistemi bulk non magnetici. Inoltre, le piattaforme esistenti per le bande piatte (come il grafene a bi-strato con angolo magico) si affidano a meccanismi di sintonizzazione esterna per allineare le energie delle bande piatte al potenziale chimico. Il composto isostrutturale $\text{TaIrTe}_4$ è stato ampiamente studiato come semimetallo di Weyl di tipo II, ma il suo corrispondente $\text{TaRhTe}_4$ rimane poco esplorato per quanto riguarda la sua struttura elettronica. Esiste una lacuna critica nel comprendere se la topologia non banale e le bande piatte possano coesistere vicino al livello di Fermi in semimetalli di Weyl bulk non centrosimmetrici senza sintonizzazione esterna.

Metodologia
Gli autori hanno sintetizzato singoli cristalli di $\text{TaRhTe}_4$ utilizzando un metodo di soluzione/flusso con Tellurio in eccesso. Per caratterizzare la struttura elettronica, hanno impiegato la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (ARPES) su singoli cristalli clivati in situ a temperature comprese tra 5 e 5,5 K. Le misurazioni hanno utilizzato una sorgente di fotoni da 6,6 eV con un'elevata risoluzione energetica (0,7 meV) e di momento (0,001 $\text{Å}^{-1}$).

Per interpretare i dati sperimentali, gli autori hanno eseguito calcoli di Teoria del Funzionale della Densità (DFT) includendo l'accoppiamento spin-orbita (SOC) utilizzando il funzionale PBE con un potenziale di scambio-correlazione Becke-Johnson modificato (mBJ). Hanno utilizzato i parametri reticolari sperimentali e costruito modelli di legame forte tramite funzioni di Wannier massimamente localizzate per calcolare le funzioni spettrali di superficie e le superfici di Fermi bidimensionali. Lo studio ha affrontato specificamente le due distinte terminazioni superficiali (indicate come A e B) inerenti alla struttura cristallina stratificata e non centrosimmetrica di $\text{TaRhTe}_4$.

Risultati Chiave

1. Superficie di Fermi e Identificazione della Terminazione: Le misurazioni ARPES hanno rivelato due strutture elettroniche distinte corrispondenti alle due terminazioni superficiali (A e B). Confrontando le superfici di Fermi sperimentali con le previsioni DFT, gli autori hanno assegnato con successo specifici set di dati a ciascuna terminazione. La Terminazione A mostra un eccellente accordo con i calcoli, in particolare per quanto riguarda gli stati di superficie a forma di "D" e le specifiche curvature delle bande. La Terminazione B presenta caratteristiche generali simili, ma con un accordo meno pronunciato in alcune regioni, probabilmente a causa di limitazioni nei dati nell'intervallo $k_y$.
2. Punti di Weyl: Lo studio ha confermato la presenza di punti di Weyl (WP) in $\text{TaRhTe}_4$. I calcoli DFT hanno predetto otto WP: quattro situati 13 meV sopra l'energia di Fermi ($E_F$) e quattro situati 50 meV sotto $E_F$. I dati ARPES hanno catturato archi di Fermi che collegano le coppie di WP, in particolare quelli 13 meV sopra $E_F$, che erano visibili sulla superficie di Fermi.
3. Scoperta di Bande Piatte: La scoperta più significativa è l'osservazione di bande piatte vicino al potenziale chimico nella Terminazione A. Queste bande appaiono come una struttura che si estende attraverso gran parte della zona di Brillouin, con un picco di intensità a circa 4 meV sotto $E_F$. Fondamentalmente, l'energia di queste bande è effettivamente indipendente dal momento ($k_x$).
4. Discrepanza con la Teoria: Le bande piatte osservate non erano predette dai calcoli DFT. Sebbene la struttura a bande teorica corrispondesse bene ai dati sperimentali in molte regioni (specialmente sotto $E_F - 0,05$ eV), le bande piatte apparivano come una caratteristica extra negli spettri ARPES assente nei modelli teorici. Al contrario, i tagli corrispondenti nella Terminazione B mostravano solo il fondo di bande di tipo elettronico nelle stesse regioni di momento, confermando che la caratteristica è specifica della terminazione superficiale e non un artefatto della geometria di misura.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che $\text{TaRhTe}_4$ fornisce una piattaforma unica in cui la topologia non banale (punti di Weyl) coesiste con bande piatte vicino al livello di Fermi in un sistema bulk non magnetico. Ciò è significativo perché le bande piatte sono raramente osservate nei semimetalli di Weyl e la loro presenza in un cristallo bulk senza la necessità di sintonizzazione esterna (come la torsione degli strati) offre una nuova via di studio.

Gli autori sottolineano che le bande piatte si trovano molto vicino all'energia di Fermi (4 meV sotto), suggerendo che potrebbero essere sintonizzate al potenziale chimico tramite mezzi chimici o elettronici per influenzare le proprietà di trasporto e termodinamiche. La coesistenza della fisica delle bande piatte e delle strutture a bande topologiche in $\text{TaRhTe}_4$ è presentata come una piattaforma promettente per investigare il trasporto anomalo e i fenomeni quantistici emergenti, in particolare in regimi in cui i modelli di elettrone indipendente o di elettroni debolmente interagenti possono fallire. Il lavoro evidenzia un limite degli attuali metodi DFT nel predire queste specifiche bande piatte in questa classe di materiali, indicando la necessità di un ulteriore sviluppo teorico.