[論文レビュー] Non-linear Nernst effect in bilayer WTe$_2$

Chuanchang Zeng, Snehasish Nandy+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、時間反転対称性を保ちつつ空間反転対称性が破れている系において、Berry曲率ダイポール（BCD）によって駆動される2次熱電応答として、バイレイヤー WTe₂ における非線形異常Nernst効果（NLANE）を提案する。半古典的Boltzmann輸送理論を用いて、外部磁場が存在しない状況下でも、温度勾配に垂直な横方向の電圧がNLANEによって生成されることを示し、スピン軌道結合による制御が可能であり、角度依存性および化学ポテンシャル依存性を示す。これはWeyl半金属における実験的検証が可能なシグナチャーを提供する。

ABSTRACT

Unlike the conventional (linear) anomalous Nernst effect, the non-linear anomalous Nernst effect (NLANE) can survive in an inversion symmetry broken system even in the presence of time-reversal symmetry. Using semiclassical Boltzmann transport theory, we derive the general expression of the non-linear anomalous Nernst coefficient as the second-order response function to the applied temperature gradient. We find that the non-linear Nernst current, which flows perpendicular to the temperature gradient even in the absence of a magnetic field, arises due to the Berry curvature of the states near the Fermi surface, and thus is associated with purely a Fermi surface contribution. We apply these results to bilayer WTe$_2$, which is an inversion broken but time reversal symmetric type-II Weyl semimetal supporting chiral Weyl fermions. By tuning the spin-orbit coupling, we show that the sign of the NLANE can change in this system. Together with the angular dependence, we calculate the temperature and chemical potential dependencies of NLANE in bilayer WTe$_2$, and predict specific experimental signatures that can be checked in experiments.

研究の動機と目的

• 温度勾配に対する2次応答として、バイレイヤー WTe₂ における非線形異常Nernst効果（NLANE）を調査すること。
• 半古典的Boltzmann輸送理論を用いて、時間反転不変だが空間反転対称性が破れている系におけるNLANEの理論的枠組みを確立すること。
• 横方向のNLANE電流の起源として、Berry曲率ダイポール（BCD）の役割を特定すること。
• NLANEの実験的測定が可能なシグナチャー、すなわち角度依存性、温度、化学ポテンシャル、スピン軌道結合依存性を予測すること。
• 外部制御パラメータによる可変性と符号変化を明らかにするために、パラメータ空間におけるNLANE係数のマップを作成すること。

提案手法

• 温度勾配に対する2次応答として、NLANE電流を半古典的Boltzmann輸送理論により導出すること。
• 非線形ホール効果におけるBerry曲率ダイポールに類似した、擬テンソル的NLANE係数 $\Lambda^{T}_{a}$ を主要な量として特定すること。
• 対称性解析を用いて、バイレイヤー WTe₂ において鏡面に垂直な方向にのみ非ゼロの成分 $\Lambda^{T}_{a}$ が存在することを示すこと。
• 関数 $f_1(n_0, n_1, \theta)$ を用いて、NLANE電圧の角度依存性を導出すること。ここで $n_1=0$ は時間反転対称性を表す。
• 化学ポテンシャル $E_F$、スピン軌道結合 $\eta$、傾き $t_x$、層間結合 $\gamma$ の関数としてNLANE係数を計算すること。
• パラメータ空間 $(E_F, \eta)$、$(E_F, t_x)$、$(E_F, \gamma)$ におけるNLANE係数のマップを作成し、可変性および符号変化を明らかにすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性を保ちながら空間反転対称性が破れている系において、非線形異常Nernst効果（NLANE）は生存可能か？
• RQ2 バイレイヤー WTe₂ におけるNLANEの微視的起源は何か？また、Berry曲率ダイポール（BCD）とどのように関係しているか？
• RQ3 温度勾配の方向が結晶軸に対してどのように変化するかに応じて、NLANE電圧の角度依存性はどのように変化するか？
• RQ4 バイレイヤー WTe₂ におけるNLANE係数は、温度、化学ポテンシャル、スピン軌道結合、層間結合にどのように依存するか？
• RQ5 スピン軌道結合やその他のパラメータの調整によって、NLANE係数の符号が変化する可能性はあり、その符号変化はパラメータ空間のどこに位置するか？

主な発見

• 時間反転対称性の破れがなくても、Fermi面寄与によるBerry曲率ダイポール（BCD）によって非線形Nernst電流が生成されることを示した。
• NLANE係数 $\Lambda^{T}_{a}$ は非ゼロであり、温度勾配に対して横方向に配置されており、時間反転対称性の下では線形Nernst応答が存在しない。
• 異方性比 $n_0$ が1から逸脱すると、NLANE電圧の角度依存性は単純な $\sin\theta$ 行動から逸脱し、低異方性領域では二重ピーク構造を示す。
• スピン軌道結合の調整により、$(E_F, \eta)$ パラメータ空間における2つのノード間でNLANE係数の符号が変化することが予測され、これはトポロジカル遷移を示唆する。
• NLANE係数は化学ポテンシャルに強く依存しており、モデルにおけるディラック点付近に顕著な特徴を示す。
• ゲート電圧による異方性の調整によって、NLANEは実験的にプローブ可能であり、これはバイレイヤー WTe₂ におけるBCDの直接的シグナチャーを提供する。