[論文レビュー] Pr$_2$Ir$_2$O$_7$: when Luttinger semimetal meets Melko-Hertog-Gingras spin ice state

Xu-Ping Yao, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Pr₂Ir₂O₇における秩序だたせた「Melko-Hertog-Gingrasスピンアイス状態」が、Ir 5d電子のバンド構造を再構築する内部磁場を生成し、時間反転対称性不変モーメンタで対称性保護されたディラック・コンが形成され、ウィル・ノードが安定化されることを提案する。Pr 4fモーメントとIr伝導電子間のf-d交換結合により、トポロジカルバンド特徴の磁場制御が可能となり、関連電子系におけるトポロジカルセミメタリストの工学的設計に応用可能なチューナブルなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We study the band structure topology and engineering from the interplay between local moments and itinerant electrons in the context of pyrochlore iridates. For the metallic iridate Pr$_2$Ir$_2$O$_7$, the Ir $5d$ conduction electrons interact with the Pr $4f$ local moments via the $f$-$d$ exchange. While the Ir electrons form a Luttinger semimetal, the Pr moments can be tuned into an ordered spin ice with a finite ordering wavevector, dubbed "Melko-Hertog-Gingras" state, by varying Ir and O contents. We point out that the ordered spin ice of the Pr local moments generates an internal magnetic field that reconstructs the band structure of the Luttinger semimetal. Besides the broad existence of Weyl nodes, we predict that the magnetic translation of the "Melko-Hertog-Gingras" state for the Pr moments protects the Dirac band touching at certain time reversal invariant momenta for the Ir conduction electrons. We propose the magnetic fields to control the Pr magnetic structure and thereby indirectly influence the topological and other properties of the Ir electrons. Our prediction may be immediately tested in the ordered Pr$_2$Ir$_2$O$_7$ samples. We expect our work to stimulate a detailed examination of the band structure, magneto-transport, and other properties of Pr$_2$Ir$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• Pr₂Ir₂O₇におけるIr 5d伝導電子とPr 4f局所モーメントの相乗作用を調査すること。
• Prモーメントの秩序だたせた「Melko-Hertog-Gingrasスピンアイス状態」が、Ir電子のトポロジカルバンド構造に与える影響を理解すること。
• Prスピン秩序の磁気的並進対称性が、時間反転対称性不変モーメントにおけるディラック・コンの保護に寄与することを提案すること。
• 外部磁場がf-d交換結合を通じて、半金属的および絶縁体的相の間をチューニングできることを示すこと。
• 秩序だたせたPr₂Ir₂O₇試料におけるARPES、光学的および磁気輸送実験のための検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• Pr 4fモーメントとIr 5d電子間のf-d交換結合を組み込んだタイトバインディングハミルトニアンを用いたPr₂Ir₂O₇のバンド構造の理論的モデリング。
• 「Melko-Hertog-Gingrasスピンアイス状態」の磁気的並進対称性と、時間反転対称性保護によるディラック・ノードへの影響の分析。
• 群論および運動量空間における対称性解析を用いて、高対称点における保護されたバンド接触を同定すること。
• f-d交換結合のパrameter空間における位相図の構築により、トポロジカル位相遷移をマッピングすること。
• 外部磁場による対称性破れに伴い、ウィル・ノードの形成を予測すること。
• 実験的プローブの提案：ARPESによる直接的なバンド構造マッピング、光学分光法による帯間遷移、および異常ホール効果および金属-絶縁体遷移を示す磁気輸送。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇におけるIr 5d伝導電子のバンド構造に、Pr 4fモーメントの秩序だたせた「Melko-Hertog-Gingrasスピンアイス状態」がどのように影響を与えるか？
• RQ2 Prモーメントが「Melko-Hertog-Gingras状態」に秩序だたせた場合、Irバンド構造に現れるディラック・コンがどのような対称性によって保護されるか？
• RQ3 外部磁場がPr₂Ir₂O₇におけるIrバンド構造のトポロジカル性をチューニング可能か？もし可能であれば、そのメカニズムは？
• RQ4 Prスピンアイス秩序が誘導するトポロジカル特徴とパラ磁性相の特徴を区別する実験的シグナルは何か？
• RQ5 f-d交換結合が、この系における磁場駆動金属-絶縁体遷移をどのように媒介するか？

主な発見

• Pr₂Ir₂O₇における「Melko-Hertog-Gingrasスピンアイス秩序」は、内部磁場を生成し、Ir 5dバンド構造を再構築することで、時間反転対称性不変モーメントに対称性保護されたディラック・コンを形成する。
• Prスピン秩序の磁気的並進対称性が、ブリユアンゾーン内の特定の高対称点におけるディラック・ノードの保護を実現する。
• 外部磁場下および秩序だたせたPr₂Ir₂O₇の両方において、異なるタイプのウィル・ノードが一般に存在する。
• 外部磁場を印加することでディラック・コンの保護が解除され、その消失が明確な実験的シグナルとなる。
• 位相図では、強いf-d交換結合下で、半金属領域の大部分が絶縁体相に変化する磁場駆動金属-絶縁体遷移が示される。
• ARPES、光学測定、磁気輸送が、予測されたトポロジカル特徴および遷移を検出可能な実験的プローブとして有効であると提案される。