[論文レビュー] Magnetic Weyl and Dirac Kondo semimetal phases in heterostructures

Seulgi Ok, Markus Legner+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、トポロジカルKondo絶縁体SmB6と、同じ構造を持つ鉄磁性または反強磁性に秩序化したKondo絶縁体（例：EuB6、YbB6、またはCeB6）をヘテロ構造として積層することで、磁性的WeylまたはDirac Kondo半金属相が誘発されることを提案する。Kondo効果がトポロジカルに非自明なWeylおよびDiracコーンを保護し、フェルミ準位近くに頑健な表面状態を有するタイプIおよびタイプIIの両相を実現可能にする。

ABSTRACT

We study a layered three-dimensional heterostructure in which two types of Kondo insulators are stacked alternatingly. One of them is the topological Kondo insulator SmB 6 , the other one an isostructural Kondo insulator AB 6 , where A is a rare-earth element, e.g., Eu, Yb, or Ce. We find that if the latter orders ferromagnetically, the heterostructure generically becomes a magnetic Weyl Kondo semimetal, while antiferromagnetic order can yield a magnetic Dirac Kondo semimetal. We detail both scenarios with general symmetry considerations as well as concrete tight-binding calcu-lations and show that type-I as well as type-II magnetic Weyl/Dirac Kondo semimetal phases are possible in these heterostructures. Our results demonstrate that Kondo insulator heterostructures are a versatile platform for design of strongly correlated topological semimetals.

研究の動機と目的

• トポロジカルKondo絶縁体と磁性Kondo絶縁体のヘテロ構造におけるトポロジカル半金属相の出現を探索すること。
• ヘテロ構造における鉄磁性秩序が磁性的Weyl Kondo半金属相を引き起こすのに対し、反強磁性秩序が磁性的Dirac Kondo半金属相を生じることを示すこと。
• タイプIおよびタイプIIのWeyl/Dirac Kondo半金属相が、対称性保護されたバンド簡約性によって実現可能であることを確立すること。
• これらの相を実現可能な候補材料（例：EuB6、YbB6、CeB6）を特定すること、特にトポロジカルおよび磁性的条件を満たすものであること。
• 界面でのストレインエンジニアリングがバンドギャップを増大させ、より高温域でKondo物理学を安定化させることを示すこと。

提案手法

• SmB6と同構造のKondo絶縁体AB6（A =稀土元素）を交互に積層することで三次元層状ヘテロ構造を構築する。
• 対称性解析と群論を用いて、磁性秩序が時間反転対称性を破ることでWeylまたはDiracノードが出現する条件を同定する。
• タイトバインディングモデル計算を実施し、バルク電子状態をマッピングし、トポロジカルに保護されたWeyl/Diracコーンの存在を確認する。
• 分散関係を分析して、タイプI（線形で孤立したコーン）とタイプII（傾いたコーン）のWeyl/Dirac半金属相を区別する。
• 界面における格子不整合およびストレイン（例：SmB6/EuB6）がバンドギャップを調整し、Kondo相関を安定化させる役割を評価する。
• バンド構造、磁性秩序、フェルミ準位への近接性に基づいて候補材料（YbB6、CeB6）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6と磁性Kondo絶縁体（例：EuB6やCeB6）のヘテロ構造は、磁性的Weyl Kondo半金属相を実現可能か？
• RQ2 このようなヘテロ構造において、どのような対称性および磁性的条件下で磁性的Dirac Kondo半金属相が出現するか？
• RQ3 このプラットフォームでタイプIおよびタイプIIのWeyl/Dirac Kondo半金属相を両方実現可能か？
• RQ4 バンド整列および磁性秩序に関して、これらの相を実現するための主要な材料的要件は何か？
• RQ5 界面に生じるストレインは、Kondo駆動トポロジカル半金属相の安定性および観測可能性にどのように影響するか？

主な発見

• AB6層における鉄磁性秩序が、フェルミ準位近くにトポロジカルに保護されたWeylコーンを有する磁性的Weyl Kondo半金属相を誘発する。
• AB6層における反強磁性秩序が、結晶対称性によって保護された四重に簡約されたDiracコーンを有する磁性的Dirac Kondo半金属相を生じる。
• バンド分散およびコーンの傾きに応じて、タイプIおよびタイプIIのWeylおよびDirac Kondo半金属相の両方が実現可能である。
• SmB6の表面状態が、これらの相の出現のトポロジカル的素因を提供し、Kondo効果がその頑健性を保証する。
• YbB6およびCeB6は、p軌道およびd軌道バンドがフェルミ準位に近く、既知の磁性秩序を有するため、実現可能な候補材料である。
• 格子不整合に起因する界面ストレイン（例：SmB6/EuB6）はバンドギャップを拡大し、Kondo物理学の温度スケールを約240 Kまで上昇させることができる。