[論文レビュー] Optical evidence for a Weyl semimetal state in pyrochlore Eu2Ir2O7

Andrei Sushkov, Johannes Hofmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Nuclear materials and radiation effects被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、温度全域における反射率および透過率測定を用いて、ペロブスカイト型Eu2Ir2O7におけるWeyl半金属状態の光学的証拠を提供する。光学伝導度をローレンツ関数の和と変分的誘電関数でフィッティングすることで、スペクトル重みの主な寄与として温度依存性を示すドレーブ重みが特定され、電子構造にギャップレスなWeylフェルミオンが存在することを確認した。

ABSTRACT

A Weyl semimetallic state with pairs of nondegenerate Dirac cones in three dimensions was recently predicted to occur in the antiferromagnetic state of the pyrochlore iridates. Here, we show that the THz optical conductivity and temperature dependence of free carriers in the pyrochlore Eu2Ir2O7 match the predictions for a Weyl semimetal and suggest novel Dirac liquid behavior. The interband optical conductivity vanishes continuously at low frequencies signifying a semimetal. The metal-insulator transition at T_N = 110 K is manifested in the Drude spectral weight, which is independent of temperature in the metallic phase, and which decreases smoothly in the ordered phase. The temperature dependence of the free carrier weight below T_N is in good agreement with theoretical predictions for a Dirac material. The data yield a Fermi velocity v_F=4x10^7 cm/s, a logarithmic renormalization scale Lambda_L=600 K, and require a Fermi temperature of T_F=100 K associated with residual unintentional doping to account for the low temperature optical response and dc resistivity.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト型Eu2Ir2O7におけるWeyl半金属相を示す電子状態を同定すること。
• 分光的手法を用いて、Eu2Ir2O7における温度依存性光学応答の起源を特定すること。
• 光学伝導度における自由電子（ドレーブ）、フォノン、電子遷移の寄与を区別すること。
• ドレーブスペクトル重みのみが温度に依存することを検証し、ギャップレスな電子状態を示すこと。

提案手法

• 7 K、70 K、およびそれ以上の温度で実験的反射率および透過率スペクトルを、ドレーブ項、7つのフォノン、5つの電子遷移を含むモデル誘電関数を用いてフィッティングする。
• 光学伝導度をローレンツ振動子の和として表現し、ドレーブおよびフォノンパラメータに独立した温度依存性を導入する。
• 変分的誘電関数（VDF）を用いてフィッティングを精緻化し、ローレンツ関数の和では解明できない微細なスペクトル特徴を捉える。
• VDFを用いたクラメール＝キオンゲン変換により因果律を満たし、測定周波数範囲を超えて外挿する。
• 光学伝導度の積分により全スペクトル重み$SW(\omega_c)$を計算し、ドレーブスペクトル重み$\omega_{sD}^2$と比較する。
• 全スペクトル重み曲線をずらして、温度依存寄与を分離し、ドレーブ項のみが温度に依存することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eu2Ir2O7の光学応答は、Weyl半金属状態の痕跡を示しているか？
• RQ2 光学伝導度の各成分（ドレーブ、フォノン、電子遷移）の中で、どのものが温度依存スペクトル重みを示しているか？
• RQ3 観測された光学伝導度の温度依存性は、ドレーブおよびフォノンパラメータの変化のみで完全に説明可能か？
• RQ4 系の全スペクトル重みは、温度に依存しない寄与が支配的か、それとも主に自由電子に起因しているか？
• RQ5 VDFおよびローレンツ関数フィッティングモデルは、実験データが捉える微細なスペクトル特徴をどの程度正確に再現しているか？

主な発見

• Eu2Ir2O7におけるドレーブスペクトル重みは強い温度依存性を示し、キャリア密度または散乱率の変化を示しており、ギャップレスな電子状態に一致する。
• フォノンスペクトル重みは、幅が温度に依存して変化するにもかかわらず、ほぼ温度に依存しない。
• VDFモデルから計算された全スペクトル重み$\omega_{pt}^2$は、温度に依存しない寄与を補正した後、ドレーブ項$\omega_{sD}^2$と定量的に一致する。
• 7 Kにおけるドレーブ項は広く、有限のdc伝導度を示し、低温での金属的挙動を確認した。
• ドレーブピークと最低電子遷移ピークの傾きが逆であるため、フィッティング手順で両者の寄与を明確に分離可能である。
• VDFモデルは、実験曲線とほぼ同一の精度で実験的反射率を再現し、ローレンツ関数の和を超える微細構造を捉える有効性を裏付けた。