[論文レビュー] Colossal anomalous Nernst effect in a correlated noncentrosymmetric kagome ferromagnet

Asaba, T., Ivanov, V.+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 131

ひとこと要約

本研究では、ウランの5f電子における強い電子相関およびスピン軌道結合に起因する、フェルミ磁性体kagome金属UCo0.8Ru0.2Alにおける23 µV/Kに達する巨大な異常Nernst効果（ANE）を報告している。この効果は、フェルミ準拠面付近に存在する少なくとも148個のWeylノードおよびノードラインの密集したネットワークに起因し、極めて強いベルリーカラスチャが発生し、従来の材料をはるかに超える横方向の熱電応答を増幅させる。

ABSTRACT

Analogous to the Hall effect, the Nernst effect is the generation of a transverse voltage due to a temperature gradient in the presence of a perpendicular magnetic field. The Nernst effect has promise for thermoelectric applications and as a probe of electronic structure. In magnetic materials, a so-called anomalous Nernst effect (ANE) is possible in zero magnetic field. Here we report a colossal ANE reaching 23 $\mu$V/K in the ferromagnetic metal UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. Uranium's $5f$ electrons provide strong electronic correlations that lead to narrow bands, which are a known route to producing a large thermoelectric response. Additionally, the large nuclear charge of uranium generates strong spin-orbit coupling, which produces an intrinsic transverse response in this material due to the Berry curvature associated with the relativistic electronic structure. Theoretical calculations show that at least 148 Weyl nodes and two nodal lines exist within $\pm$ 60 meV of the Fermi level in UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. This work demonstrates that magnetic actinide materials can host strong Nernst and Hall responses due to their combined correlated and topological nature.

研究の動機と目的

• 熱電応用を目的とした、増幅された異常Nernst効果（ANE）を示す材料の探索。
• 強い電子相関、大きなスピン軌道結合、トポロジカルバンド構造を併せ持つ系を特定し、ベルリーカラスチャの寄与を最大化すること。
• kagome格子対称性および非中心対称性がWeylノードおよびノードラインをどのように実現するかを調査すること。
• アクチニドを基盤とする相関フェルミ磁性体が、巨大ANE応答を示す可能性を実証すること。
• 量子臨界的Weylノードと極端な熱電横応答との間に相関関係が存在することを確立すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含む第一原理電子構造計算により、UCo0.8Ru0.2AlにおけるベルリーカラスチャおよびWeylノード分布のマップ作成。
• 縦方向抵抗率ρxxおよびSeebeck係数Sxxの測定により、T_C = 56 Kでフェルミ磁性転移を特定。
• モットの式を用いて、導電度および熱電力テンソルを介して異常Nernスト係数とベルリーカラスチャを関連づける。
• ブリユアンゾーン全体にわたるベルリーカラスチャの積分を用いた、異常ホール伝導度（AHC）の理論的モデリング。
• 5f電子の相関を考慮するため、ハubbard U補正を施したスピン極化密度汎関数理論（DFT）を用いた電子構造の分析。
• 対称性およびバンド構造解析を用いて、Weylノードやノードラインなどのトポロジカル特徴の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関のある非中心対称kagomeフェルミ磁性体が、巨大な異常Nernst効果を有効に持つことができるか？
• RQ2 Weylノードおよびノードラインは、ベルリーカラスチャおよび横方向熱電応答の増幅に果たす役割は何か？
• RQ3 ウランの5f電子における強い電子相関およびスピン軌道結合は、異常Nernst効果をどのように増幅させるか？
• RQ4 UCo0.8Ru0.2Alで観測されたANEは主に内在的であり、ベルリーカラスチャによって駆動されていると見なせるか？
• RQ5 フェルミ準拠面付近に多数のWeylノード（≥148個）が存在することは、記録的なANE値を説明できるか？

主な発見

• UCo0.8Ru0.2Alにおける異常Nernスト効果は23 µV/Kに達し、これまでに報告された中で最大の値である。
• 理論的計算により、フェルミ準拠面±60 meVの範囲に少なくとも148個のWeylノードおよび2本のノードラインが存在することが判明し、極めて非自明なトポロジカル電子構造を示している。
• ベルリーカラスチャに起因する異常ホール伝導度は約2,000 Ω⁻¹cm⁻¹と計算され、強い内在的寄与が確認された。
• 巨大ANEは、強い5f電子相関、大きなスピン軌道結合、およびkagome格子幾何学が相乗的に作用し、ベルリーカラスチャを増幅させることに起因するとされる。
• T_C = 56 Kのフェルミ磁性転移は、ρxxおよびSxxの両方におけるきつい折れ曲がりとして現れ、電子散乱および熱電力の変化を示している。
• 残留抵抗率が105 µΩcmで、縦方向伝導度が約9,500 Ω⁻¹cm⁻¹であるため、中程度の汚れを有する金属的状態を示している。