[論文レビュー] New Type of Quantum Oscillations Stemmed From the Strong Weyl Fermions - 4f Electrons Exchange Interaction

Jinfeng Wang, Qingxin Dong+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、強いWeylフェルミオン–4f電子交換相互作用に起因するスピン分離フェルミ面からの振動の破壊的干渉に加え、Rashba-Dresselhausおよびゼーマン効果を組み合わせた、極性磁性Weyl半金属NdAlSiにおける新しい種類の量子振動を報告している。抵抗率および比熱における観測された振動は、4f電子を基盤とする磁性半金属において以前に観察されていなかった量子現象を示している。

ABSTRACT

The interplay between magnetism and the topology of electronic band structure may generate new exotic quantum states. Here we report on a new type of quantum oscillations in the temperature dependent electrical resistivity and specific heat at a constant magnetic field in a polar magnetic Weyl semimetal (WSM) NdAlSi. These novel quantum phenomena arise from the destructive interference between quantum oscillations from the spin-split Fermi surfaces due to the strong Weyl fermions-4f electrons exchange interaction combined with Rashba-Dresselhaus (RD) and Zeeman effects. Our findings pave a way to explore unprecedented quantum phenomena in 4f-electron based magnetic semimetals.

研究の動機と目的

• 強い4f電子相関が関与するWeyl半金属における磁性とトポロジーの相乗作用を調査すること。
• 極性磁性Weyl半金属におけるスピン分離フェルミ面に起因する新しい量子振動を同定すること。
• 強いWeylフェルミオン–4f電子交換相互作用、Rashba-Dresselhausおよびゼーマン効果が非従来型の量子応答を生成する役割を理解すること。
• 輸送および熱力学的測定を通じて、4f電子を基盤とする磁性半金属における前例のない量子現象を探索すること。

提案手法

• NdAlSiにおける一定磁場下での温度依存電気抵抗率および比熱の測定。
• 抵抗率および比熱における量子振動の解析を通じて、スピン分離フェルミ面寄与の干渉パターンを同定すること。
• 強いWeylフェルミオン–4f電子交換相互作用、Rashba-Dresselhausスピン軌道結合、およびゼーマン分裂を組み込んだ理論的モデルの構築。
• 観測された振動パターンを用いて、競合する量子振動成分間の破壊的干渉の存在を推論すること。
• 実験データと理論予測の比較を通じて、4f電子系における振動の起源を確認すること。
• 有効質量およびフェルミ面トポロジーを抽出するために、量子振動解析技術の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一定磁場下における極性磁性Weyl半金属NdAlSiの抵抗率および比熱に、どのような種類の量子振動が現れるか？
• RQ2 Weylフェルミオンと4f電子の強い交換相互作用は、観測された量子振動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Rashba-Dresselhausおよびゼーマン効果は、この系における量子振動行動をどのように変化させるか？
• RQ4 スピン分離フェルミ面からの振動の間で破壊的干渉が生じることで、新しい種類の量子振動が生じるか？
• RQ5 これらの発見は、4f電子を基盤とする磁性半金属における特異な量子状態の出現にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 一定磁場下におけるNdAlSiの温度依存電気抵抗率および比熱に、新しい種類の量子振動が観測された。
• この振動は、強いWeylフェルミオン–4f電子交換相互作用に起因するスピン分離フェルミ面からの量子振動の破壊的干渉に起因する。
• Rashba-Dresselhausおよびゼーマン効果の存在が、スピン分離を変化させ、干渉パターンを可能にする上で不可欠である。
• 観測された振動は、従来のShubnikov–de Haasまたはde Haas–van Alphen効果とは明確に異なり、新しい量子現象を示している。
• これらの結果は、磁性Weyl半金属における4f電子系が、以前に観察されていなかった量子応答を示しうることを示している。
• 本研究の発見は、電子的および磁気的相互作用を巧みに調整することで、4f電子を基盤とする磁性半金属における特異な量子状態を探索する道を開く。