[論文レビュー] Anisotropic electrical and thermal magnetotransport in the magnetic semimetal GdPtBi

Clemens Schindler, Stanisław Gałeski+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、GdPtBiという磁性半金属における異方性電気的・熱的磁気輸送を、電気的・熱的および量子振動測定とab initio計算を組み合わせて調査する。得られた磁気輸送現象は、Weylフェルミオンの物理のみでは説明できないことが判明し、主に移動電子と局在したGd 4f磁気モーメントとの相互作用が支配的であり、パラ磁性不純物の寄与も可能性として考えられる。

ABSTRACT

The half-Heusler rare-earth intermetallic GdPtBi has recently gained attention due to peculiar magnetotransport phenomena that have been associated with the possible existence of Weyl fermions, thought to arise from the crossings of spin-split conduction and valence bands. On the other hand, similar magnetotransport phenomena observed in other rare-earth intermetallics have often been attributed to the interaction of itinerant carriers with localized magnetic moments stemming from the $4f$-shell of the rare-earth element. In order to address the origin of the magnetotransport phenomena in GdPtBi, we performed a comprehensive study of the magnetization, electrical and thermal magnetoresistivity on two single-crystalline GdPtBi samples. In addition, we performed an analysis of the Fermi surface via Shubnikov-de Haas oscillations in one of the samples and compared the results to \emph{ab initio} band structure calculations. Our findings indicate that the electrical and thermal magnetotransport in GdPtBi cannot be solely explained by Weyl physics and is strongly influenced by the interaction of both itinerant charge carriers and phonons with localized magnetic Gd-ions and possibly also paramagnetic impurities.

研究の動機と目的

• GdPtBiにおける異常磁気輸送の起源を特定すること、特にWeylフェルミオンの物理由来か、磁気的相互作用由来かを特定すること。
• 局在した4f電子による強い電子相関効果を鑑み、GdPtBiにおける単電子像の妥当性を評価すること。
• Gd 4f電子からの局在磁気モーメントおよび可能性のあるパラ磁性不純物が、電気的および熱的輸送に果たす役割を調査すること。
• Shubnikov–de Haas振動から得られた実験的フェルミ面特性とab initioバンド構造計算の結果を比較すること。
• 磁場下における熱磁気抵抗率における電子的および格子的輸送の寄与を分離すること。

提案手法

• 9 T磁場を用いたQuantum Design PPMSを用いて、2つの単結晶GdPtBi試料における電気的および熱的磁気抵抗測定を実施した。
• 77.77 Hz、1 mAの電流を用い、ロックインアンプを用いた4端子配置による電気的輸送測定を実施した。
• ステディステート法を用いて熱抵抗率を測定し、RuO2加熱素子、Cernox温度計、最適化された熱的接触を施したCuヒートシンクを用いた。
• フェルミ面のトポロジーおよび有効質量を抽出するために、Shubnikov–de Haas振動測定を実施した。
• 一般化勾配近似（GGA）を用いたDFTとWannier関数補間を用いてab initioバンド構造計算を実施した。
• 磁化挙動の分析を通じ、磁気秩序状態および局在モーメントの寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GdPtBiで観測された負の縦磁気抵抗は、Weylフェルミオンにおけるキラル異常由来か、それ以外のメカニズム由来か。
• RQ2 局在したGd 4f磁気モーメントおよびパラ磁性不純物が、GdPtBiにおける電気的および熱的輸送に及ぼす影響の程度は。
• RQ3 量子振動から得られた実験的フェルミ面特性は、ab initio予測とどの程度一致するか。
• RQ4 磁場下における熱輸送において、電子的および格子的チャネルの相対的寄与は。
• RQ5 異方性磁気輸送挙動は単粒子モデルで説明可能か、それとも4f電子相関に起因する多体効果が不可欠か。

主な発見

• GdPtBiにおける電気的および熱的磁気輸送は、Weylフェルミオンの物理のみでは説明できない。観測された負の磁気抵抗は、キラル異常期待と矛盾する。
• Shubnikov–de Haas振動から、複数のフェルミ面ポケットが確認され、ab initio計算と整合的であるが、非相互作用予測と比較して有効質量が顕著に増大している。
• 磁化測定から、Gd 4fモーメントの反強磁性秩序が約2.5 K未塔で確認され、強い局在モーメントが移動電子を散乱している可能性が示された。
• 熱抵抗率は、格子支配的挙動とは整合しない強い磁場依存性を示し、電子的寄与が顕著であるが、キラル異常では説明できない。
• EDXSおよびSEMによる分析で、Biフラックスインクルージョンおよび残留パラ磁性不純物の存在が確認され、不均一散乱および異常輸送に寄与している可能性がある。
• データの総合的分析から、移動電子と局在Gd 4fモーメントの相互作用が、観測された磁気輸送現象の主因であることが示された。不純物の寄与がその強化を助ける可能性もある。