[論文レビュー] Heavy Weyl fermion state in CeRu$_4$Sn$_6$

Yuanfeng Xu, Changming Yue+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2016

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Ce 4f 電子からの強い f 電子相関が準粒子バンドを再規範化し、フェルミ準位付近にタイプ-Iおよびタイプ-IIのWeyl点を共に持つ、強相関的重いフェルミオン材料における最初の重いWeylフェルミオン状態として、CeRu₄Sn₆を提案する。表面計算により、(010)表面でのみトポロジカルに保護されたフェルミ面弧が観察され、バルクフェルミ面の投影が分離しているため、(001)表面とは区別可能であり、ARPES や量子揺らぎによる観測が可能である。

ABSTRACT

A new type of topological state in strongly corrected condensed matter systems, heavy Weyl fermion state, has been found in a heavy fermion material CeRu$_4$Sn$_6$, which has no inversion symmetry. Both two different types of Weyl points, type I and II, can be found in the quasi-particle band structure obtained by the LDA+Guztwiller calculations, which can treat the strong correlation effects among the f-electrons from Cerium atoms. The surface calculations indicate that the topologically protected Fermi arc states exist on the (010) but not on the (001) surfaces.

研究の動機と目的

• 強相関的重いフェルミオン材料（例：CeRu₄Sn₆）にトポロジカルなWeylフェルミオン状態が存在するかを調査すること。
• Ce 4f 電子からの強い電子相関が、Weyl点およびトポロジカル表面状態の形成に与える影響を特定すること。
• フェルミ面弧の表面特異的出現と、角度分解光電子分光法（ARPES）および量子揺らぎ実験における検出可能性を同定すること。
• f 軌道占有数や二重カウンティングポテンシャルの変化に対する、重いWeylフェルミオン状態の耐性を評価すること。

提案手法

• 強相関を自己無撞着に扱うために、CeRu₄Sn₆に LDA+Gutzwiller 法を適用し、f 電子の混合および再規範化を考慮した。
• WannierTools およびグリーン関数技術を用いて、LDA+Gutzwiller 結果から得られる再規範化されたタイトバインディングハミルトニアンから表面状態を計算した。
• バルクフェルミ面を (001) および (010) 表面のブリユアンゾーンに投影することで、トポロジカル表面状態の接続性と分離度を分析した。
• LDA+Gutzwiller 法における二重カウンティングポテンシャルを変化させ、Ce の価数の変化を模擬し、Weyl点およびフェルミ面弧の安定性を評価した。
• f 軌道占有数（n_f）を基にした位相図を作成し、重いWeylフェルミオン状態の安定領域をマップした。
• スピン軌道相互作用および逆斉次性の欠如が、準粒子バンド構造におけるWeylノード形成を可能にする役割を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反転対称性を欠くにもかかわらず、強い電子相関が準粒子バンド構造にWeyl点をもたらすか、CeRu₄Sn₆にそのような状態が存在するか？
• RQ2 CeRu₄Sn₆の相関電子構造において、タイプ-Iおよびタイプ-IIの両方のWeyl点が安定化されるか？
• RQ3 両表面にWeyl点が存在するにもかかわらず、トポロジカルに保護されたフェルミ面弧が (010) 表面にのみ現れるのはなぜか？
• RQ4 f 軌道占有数および二重カウンティングポテンシャルの変化に対して、重いWeylフェルミオン状態はどの程度耐性を示すか？
• RQ5 圧力、ひずみ、ドーピングによる外部調整によって、この系のWeyl点の位置および数を変更可能か？

主な発見

• LDA+Gutzwiller計算により、強いf電子相関を含めた結果、CeRu₄Sn₆は準粒子バンド構造にタイプ-Iおよびタイプ-IIの両方のWeyl点を有することが確認された。
• f 軌道占有数 n_f > 0.87 の範囲で重いWeylフェルミオン状態は安定であり、広い相関パラメータ範囲で持続する。
• フェルミ面弧はトポロジカルに保護されており、バルクフェルミ面の投影が明確に分離しているため、(010)表面でのみ明確に可視化される。一方、(001)表面では重なった投影によりフェルミ面弧が隠蔽されている。
• n_f > 0.92 の場合、Weyl点対の数は12に増加し、(010)表面でのフェルミ面弧パターンがより複雑になる。
• 位相図から、外部からの圧力、ひずみ、化学ドーピングなどの摂動によって、有効なCe価数を変化させ、Weylノード構成を制御可能であることが示された。
• (010) 表面の表面状態パターンは、ARPES や量子揺らぎ実験で検出可能であり、重いWeylフェルミオン状態の直接的な実験的シグナルを提供する。