[論文レビュー] Monopole-like orbital-momentum locking and the induced orbital transport in topological chiral semimetals

Qun Yang, Jiewen Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、B20構造を有するトポロジカルキラル半金属（例：RhSi、PdGa）の3次元フェルミ面に、モノポール様の軌道的角運動量ロックの構造が存在することを明らかにした。この構造により、電流の流れ下で巨大な軌道ホール効果（OHE）と、キラリシティに依存する巨大な軌道磁気電気効果（OME）が誘発される。OME効果はそのスピン対応効果よりも顕著に大きく、軌道的テクスチャが軌道デバイスおよびエナンチオマー認識応用の主要因であることを示している。

ABSTRACT

The interplay between chirality and topology nurtures many exotic electronic properties. For instance, topological chiral semimetals display multifold chiral fermions that manifest nontrivial topological charge and spin texture. They are an ideal playground for exploring chirality-driven exotic physical phenomena. In this work, we reveal a monopole-like orbital-momentum locking texture on the three-dimensional Fermi surfaces of topological chiral semimetals with B20 structures (e.g., RhSi and PdGa). This orbital texture enables a large orbital Hall effect (OHE) and a giant orbital magnetoelectric (OME) effect in the presence of current flow. Different enantiomers exhibit the same OHE which can be converted to the spin Hall effect by spin-orbit coupling in materials. In contrast, the OME effect is chirality-dependent and much larger than its spin counterpart. Our work reveals the crucial role of orbital texture for understanding OHE and OME effects in topological chiral semimetals and paves the path for applications in orbitronics, spintronics, and enantiomer recognition.

研究の動機と目的

• B20構造を有するトポロジカルキラル半金属（RhSi、PdGaなど）における軌道的テクスチャの役割を調査すること。
• キラリシティとトポロジーが、軌道的およびスピン輸送現象に与える影響を理解すること。
• 特異な軌道的角運動量ロックに起因する巨大な軌道ホール効果および軌道磁気電気効果の出現を探索すること。
• 軌道磁気電気効果のキラリシティ依存性がスピン対応効果とどのように異なるかを特定すること。
• これらの材料が軌道デバイス、スピントロニクス、キラルセンシング応用において有する可能性を確立すること。

提案手法

• B20型キラル半金属（RhSi、PdGa）に対して、第一原理的電子構造計算を実施し、その3次元フェルミ面上の軌道的テクスチャをマップした。
• 運動量空間におけるベリー接続および曲率の解析により、モノポール様のテクスチャが軌道的角運動量ロックとして同定された。
• Kubo公式を用いて、軌道行列要素およびフェルミ面の異方性を組み込んだ、軌道的輸送係数を計算した。
• 電流および電場の印加下で、軌道ホール効果（OHE）および軌道磁気電気効果（OME）を評価した。
• スピン軌道結合を組み込み、これらの材料におけるOHEからスピンホール効果への変換を検証した。
• エナンチオマー特異的応答を解析し、OME効果のキラリシティ依存性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカルキラル半金属のB20構造を有する3次元フェルミ面上に、どのように軌道的角運動量ロックが現れるか？
• RQ2 これらの材料における軌道ホール効果の大きさと起源は何か？スピンホール効果と比較するとどうなるか？
• RQ3 軌道磁気電気効果はキラル的であるか？スピン対応効果と比較して強度はどの程度か？
• RQ4 スピン軌道結合により、軌道ホール効果をスピンホール効果に変換できるか？
• RQ5 軌道的テクスチャは、巨大でキラル的かつ非自明な輸送応答を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• B20型キラル半金属（RhSi、PdGaなど）の3次元フェルミ面上に、モノポール様の軌道的角運動量ロックのテクスチャが同定された。
• このテクスチャにより、巨大な軌道ホール効果（OHE）が発現し、エナンチオマー間でOHEの大きさは同一であった。
• 軌道磁気電気（OME）効果は強くキラル的であり、その大きさは対応するスピン磁気電気効果を著しく上回った。
• スピン軌道結合により、OHEがスピンホール効果に変換可能であり、軌道的自由度とスピン自由度の相互作用を裏付けた。
• 巨大なOME効果の主因は軌道的テクスチャに起因し、従来のスピンベースの磁気電気応答とは明確に異なる。
• 本研究の結果は、トポロジカルキラル半金属が、軌道デバイスおよびエナンチオマー特異的センシングのための有望なプラットフォームであることを確立した。