[論文レビュー] Berry curvature generation detected by Nernst responses in ferroelectric Weyl semimetal

Cheng-Long Zhang, Tian Liang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 48被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、インジウムドーピングとスズ/ lead 比によって制御可能なフェロエレクトリック性を示す非磁性 Weyl 半金属である Pb1−xSnxTe を特定した。このフェロエレクトリック性が逆斉次性を破り、可変な Weyl ノードを生成する。角度依存 Nernst 効果測定により、磁場による Weyl ノードの再分配に伴う Berry 曲率の生成を検出。磁場を用いない清浄で高機能なトポロジカルフェルミオン制御プラットフォームを実現した。

ABSTRACT

The quest for nonmagnetic Weyl semimetals with high tunability of phase has remained a demanding challenge. As the symmetry breaking control parameter, the ferroelectric order can be steered to turn on/off the Weyl semimetals phase, adjust the band structures around the Fermi level, and enlarge/shrink the momentum separation of Weyl nodes which generate the Berry curvature as the emergent magnetic field. Here, we report the realization of a ferroelectric nonmagnetic Weyl semimetal based on indium doped Pb1 xSnxTe alloy where the underlying inversion symmetry as well as mirror symmetry is broken with the strength of ferroelectricity adjustable via tuning indium doping level and Sn/Pb ratio. The transverse thermoelectric effect, i.e., Nernst effect both for out of plane and in plane magnetic field geometry, is exploited as a Berry curvature sensitive experimental probe to manifest the generation of Berry curvature via the redistribution of Weyl nodes under magnetic fields. The results demonstrate a clean non-magnetic Weyl semimetal coupled with highly tunable ferroelectric order, providing an ideal platform for manipulating the Weyl fermions in nonmagnetic system.

研究の動機と目的

• フェロエレクトリック秩序によって制御可能な非磁性 Weyl 半金属相を実現すること。
• Pb1−xSnxTe におけるフェロエレクトリシティが逆斉次性を破り、Weyl ノードを生成することを実証すること。
• Nernst 効果を Berry 曲率感受性プローブとして用い、磁場誘起の Weyl ノード再分配を検出すること。
• 外部磁場を用いない清浄でチューナブルな系を構築し、Weyl フェルミオンを制御すること。
• [001] 方向の歪みとミラー対称性の破れが有限の Berry 曲率を生成する役割を確認すること。

提案手法

• 制御されたスズ/鉛比とドーピングレベルを有する In ドーピング Pb1−xSnxTe 単結晶を、Bridgman-Stockbarger 法で成長させた。
• サンプル回転装置を備えた PPMS を用い、四端子法による電気的および熱電輸送測定を実施し、角度依存性を評価した。
• 垂直方向 Nernst 測定用の自作装置を用い、1つの加熱素子と2つの温度計を用いて横方向熱電応答を測定した。
• ab 面に垂直に照射した第二高調波生成 (SHG) 測定により、面内極性歪みを検出し、[001] 方向の極性を確認した。
• PBE 関数を用いた第一原理 DFT 計算とタイトバインディングモデルを用い、極性歪み下での電子構造と Weyl ノードの進化をマッピングした。
• 角度依存 Nernst 測定を用い、磁場の向きによって a 軸および b 軸に垂直な両ミラー対称性を破ることで、Berry 曲率寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pb1−xSnxTe におけるフェロエレクトリシティは、チューナブルな非磁性 Weyl 半金属相を誘発できるか？
• RQ2 磁場の適用が、この系において Weyl ノードを再分配し、Berry 曲率を生成する仕組みは何か？
• RQ3 従来の Drude 項が存在しない状況で、Nernst 効果は Berry 曲率の選択的プローブとして機能できるか？
• RQ4 極性と磁場の向きによるミラー対称性の破れが、有限の Berry 曲率を生成する役割を果たすか？
• RQ5 In ドーピングとスズ/鉛比の調整が、Weyl ノードの分離とトポロジカルバンド構造をどのように制御するか？

主な発見

• フェロエレクトリック Weyl 半金属相は、In ドーピング Pb1−xSnxTe で実現され、輸送測定およびバンド構造計算により、フェルミ準位付近に清浄なバンド構造であることが確認された。
• Nernst 効果は強い角度依存性を示し、磁場の向きによって a 軸および b 軸に垂直な両ミラー面が破れた場合に最大応答を示した。
• Weyl ノードの再分配に起因する磁場下での有限の Berry 曲率が生成され、Nernst 応答に Drude 項が存在しないことから確認された。
• 第二高調波生成により、支配的である [001] 方向の極性歪みが確認され、Berry 曲率生成に不可欠なミラー対称性の破れが成立した。
• In ドーピングとスズ/鉛比の調整により、Weyl ノードの分離がチューナブルであり、絶縁体 (NI)、Weyl 半金属 (WSM)、トポロジカル絶縁体 (TCI) 間の相転移が観測された。
• 出力方向および面内方向の磁場幾何配置において Drude 項が抑制されていることから、観測された Nernst 応答は、すべて Berry 曲率に起因しており、従来の輸送寄与とは無関係であることが判明した。