[論文レビュー] Dirac fermions in the heavy-fermion superconductors Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$

Kent Shirer, Yan Sun+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Ce(Co,Rh,Ir)In₅重フェルミオン超伝導体が、In-5sおよびIn-4p_z軌道から生じるWell-separatedなノードにディラックフェルミオンを有しており、トポロジカル半金属的挙動を示すと提案している。理論的および実験的証拠により、これらのディラックノードは高磁場下でトポロジカル・リフシッツ転移を引き起こし、零場における異なる基底状態にもかかわらず、3化合物すべてで類似した高磁場下の量子振動および抵抗率の飛び跳ねを説明する。これは、非単純なトポロジカル超伝導に寄与する可能性を示唆する。

ABSTRACT

The Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ family of ``Ce-115'' materials hosts an abundance of correlated electron behavior, including heavy-fermion physics, magnetism, superconductivity and nematicity. The complicated behavior of these entangled phenomena leads to a variety of exotic physical properties, which, despite the seemingly simple crystal structure of these compounds, remain poorly understood. It is generally accepted that the interplay between the itinerant and local character of Ce-$4f$ electrons is the key to their exotic behavior. Here, we report theoretical evidence that the Ce-115 materials are also topological semi-metals, with Dirac fermions around well-separated nodes. Dirac nodes in each compound are present on the $Γ-Z$ plane close to the Fermi level. As the Dirac bands are derived from In-orbitals, they occur in all family members irrespective of the transition metal (Co,Rh,Ir). We present the expected Fermi-arc surface state patterns and show the close proximity of a topological Lifshitz transition, which possibly explains the high field physics of Ce-115 materials. Experimentally, we highlight the surprising similarity of Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ in high magnetic fields, despite the distinctly different states of the Ce-$4f$ electrons. These results raise questions about the role Dirac fermions play in exotic transport behavior, and we propose this class of materials as a prime candidate for unconventional topological superconductivity.

研究の動機と目的

• 強い相関電子系としての複雑な性質にもかかわらず、Ce(Co,Rh,Ir)In₅のトポロジカルな電子構造を調査すること。
• これらの重フェルミオン系にディラックフェルミオンが存在するか、そしてそれが特異な量子現象にどのように寄与するかを特定すること。
• 零場における相が著しく異なるにもかかわらず、CeCoIn₅、CeRhIn₅、CeIrIn₅の間で高磁場下の抵抗率および量子振動が顕著に類似している理由を説明すること。
• 強い相関系におけるトポロジカル超伝導およびネマチック転移を可能にするディラックフェルミオンの役割を調査すること。

提案手法

• La-115を参考として、Ce-115化合物におけるディラックノードの特定を目的とした第一原理バンド構造計算を実施した。
• フェルミエネルギー付近のバンドの軌道的性質を分析し、ディラック交差の起源がIn-5sおよびIn-4p_z状態であることを同定した。
• トポロジカル半金属的挙動に予想されるフェルミ面アーク表面状態のパターンをモデル化した。
• 磁場によるフェルミ面トポロジーの再構成を通じて、トポロジカル・リフシッツ転移の接近度を評価した。
• 抵抗率および量子振動を含む高磁場輸送測定と理論的予測を相関させた。
• 対称性およびバンド位相論的議論を用いて、ディラックノードと観測されたネマチックおよび超伝導転移を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電子相関および重フェルミオン的挙動があるにもかかわらず、Ce(Co,Rh,Ir)In₅にディラックフェルミオンが存在するか？
• RQ2 CeCoIn₅、CeRhIn₅、CeIrIn₅の間で、同一の高磁場下の量子振動周波数および抵抗率の不連続性が観測される原因は何か？
• RQ3 高磁場下でのトポロジカル・リフシッツ転移が、急激な抵抗率の飛び跳ねおよび巨大量子振動を説明できるか？
• RQ4 ディラックフェルミオンは、これらの材料における非単純超伝導およびネマチック秩序の出現にどのように寄与するか？
• RQ5 ディラックフェルミオンのヘリシティが、CeRhIn₅で観測されたマクロなヘリカル磁気秩序を説明できるか？

主な発見

• すべてのCe(Co,Rh,Ir)In₅化合物において、フェルミエネルギー付近のΓ–Z平面上にディラックノードが存在し、それらはIn-5sおよびIn-4p_z軌道に起因する。
• 遷移金属（Co、Rh、Ir）が異なっても、同じ軌道的起源のため、ディラックバンドは全家族にわたり安定である。
• 高磁場下ではトポロジカル・リフシッツ転移が予測され、ディラックパッチがフェルミ面から分離する。
• この転移は、約28 TでCeRhIn₅およびCeIrIn₅で観測された巨大量子振動および急激な抵抗率の飛び跳ねを説明する。
• 零場における基底状態が異なるにもかかわらず、共通のトポロジカル電子構造のおかげで、CeCoIn₅、CeRhIn₅、CeIrIn₅の高磁場挙動は一貫している。
• ディラックノードは、フェルミ面に準粒子のヘリシティを印加することで、CeRhIn₅におけるマクロなヘリカル磁気秩序の安定化に寄与する可能性がある。