[論文レビュー] Magnetic and noncentrosymmetric Weyl fermion semimetals in the RAlX family of compounds (R=rare earth, Al=aluminium, X=Si, Ge)

Guoqing Chang, Bahadur Singh+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、RAlX（R = 稀土類元素、X = Si, Ge）化合物群が、磁性秩序と電子バンドトポロジーの調整によって、$τ$-破れ、$σ$-破れ、タイプ-Iおよびタイプ-IIのあらゆる種類の発現的ワイルフェルミオンを実現する多機能なプラットフォームであることを特定した。異なる希土類元素を選択することで、材料は強磁性、非磁性、反強磁性となり、輸送、分光、デバイス応用分野における多様なトポロジカルな現象の体系的探索が可能になる。

ABSTRACT

Weyl semimetals are novel topological conductors that host Weyl fermions as emergent quasiparticles. While the Weyl fermions in high-energy physics are strictly defined as the massless solution of the Dirac equation and uniquely fixed by Lorentz symmetry, there is no such constraint for a topological metal in general. Specifically, the Weyl quasiparticles can arise by breaking either the space-inversion ($\mathcal{I}$) or time-reversal ($\mathcal{T}$) symmetry. They can either respect Lorentz symmetry (type-I) or strongly violate it (type-II). To date, different types of Weyl fermions have been predicted to occur only in different classes of materials. In this paper, we present a significant materials breakthrough by identifying a large class of Weyl materials in the RAlX (R=Rare earth, Al, X=Ge, Si) family that can realize all different types of emergent Weyl fermions ($\mathcal{I}$-breaking, $\mathcal{T}$-breaking, type-I or type-II), depending on a suitable choice of the rare earth elements. Specifically, RAlX can be ferromagnetic, nonmagnetic or antiferromagnetic and the electronic band topology and topological nature of the Weyl fermions can be tuned. The unparalleled tunability and the large number of compounds make the RAlX family of compounds a unique Weyl semimetal class for exploring the wide-ranging topological phenomena associated with different types of emergent Weyl fermions in transport, spectroscopic and device-based experiments.

研究の動機と目的

• すべての種類の発現的ワイルフェルミオンを保持可能な単一の材料系の同定。
• 同一系内で複数種のワイルフェルミオンを支持する材料の不足を解消すること。
• 希土類元素の制御により、電子バンドトポロジーを調整可能にする。
• 輸送、分光、デバイス応用分野における多様なトポロジカル現象の実験的探索のためのプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 第一原理計算を用いたRAlX化合物（R = 稜土類元素、X = Si, Ge）における電子バンド構造の体系的分析。
• 空間反転（$\mathcal{I}$）および時間反転（$\mathcal{T}$）対称性の破れメカニズムの調査。
• ローレンツ対称性の保存に基づくワイルフェルミオンの分類：タイプ-I（ローレンツ保存型）およびタイプ-II（ローレンツ破れ型）。
• 希土類元素の調整により、強磁性、非磁性、反強磁性の磁性状態を探索。
• RAlX全体系におけるワイルノード位置およびフェルミアークのマッピング。
• 結晶構造、磁性秩序、トポロジカル不変量の相関関係を特定し、ワイル系半金属の挙動を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一材料系が、$σ$-破れおよび$σ$-破れ、タイプ-Iおよびタイプ-IIを含むすべての種類の発現的ワイルフェルミオンを保持可能か？
• RQ2 RAlXにおける希土類元素の選択が、磁性秩序および電子バンドトポロジーをどのように調整するか？
• RQ3 対称性の破れとRAlX化合物におけるワイルフェルミオンの出現との関係は何か？
• RQ4 RAlX系は、ローレンツ保存型（タイプ-I）およびローレンツ破れ型（タイプ-II）の両方のワイルフェルミオンを支持可能か？
• RQ5 磁性およびトポロジカル性の調整可能性が、トポロジカル量子現象の新たな実験的プラットフォームをどのように可能にするか？

主な発見

• RAlX系は、$σ$-破れおよび$σ$-破れの両方の対称性破れメカニズムに起因するワイルフェルミオンを支持する。
• RAlXにおける異なる希土類元素は、それぞれ異なる磁性状態（強磁性、非磁性、反強磁性）を誘導する。
• 特定の希土類元素を選択することで、RAlX全体系における電子バンドトポロジーおよびワイルフェルミオンの性質を調整可能である。
• 同一材料系内で、タイプ-Iおよびタイプ-II、$σ$-破れおよび$σ$-破れのあらゆる種類の発現的ワイルフェルミオンが実現された。
• 化合物の数が多く、高い調整性を有するため、RAlXは多様なトポロジカル現象の実験的研究に最適なプラットフォームである。
• 本系により、輸送、分光、デバイスベース実験におけるワイル系半金属の挙動の体系的探索が可能となった。