[論文レビュー] Quenching a Weyl-Kondo semimetal by magnetic field

Sami Dzsaber, D. A. Zocco+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ホール効果測定を用いて、ウェイル＝コンドー半金属 Ce₃Bi₄Pd₃における磁場による調整を調べ、二段階の量子相転移を明らかにした。まずウェイルノードの消滅が起こり、絶縁的性質が増大する。その後、重フェルミオン金属相への転移が発生する。本研究は、磁場による非熱的制御が、強い電子相関を示すトポロジカル相を探索するのに有効であることを示している。

ABSTRACT

With the advent of topology in electronic materials the number of predicted quantum phases has literally exploded. Most of them, however, still await firm experimental identification. In strongly correlated electron systems, scanning their low-temperature phase diagrams by varying a nonthermal control parameter has been instrumental in delineating phases defined by a Landau order parameter. Here we show that this approach is versatile also for strongly correlated topological phases. We use Hall effect measurements to probe how the time reversal symmetry invariant Weyl-Kondo semimetal Ce$_3$Bi$_4$Pd$_3$ transforms under magnetic-field tuning. We detect an intriguing two-stage transition, which we associate with an annihilation of the Weyl nodes, making the system more insulating, and a consecutive transition to a heavy fermion metal phase. We expect our work to stimulate tuning studies in related systems, thereby advancing the much needed identification of organizing principles for strongly correlated electronic topology.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性を保つウェイル＝コンドー半金属 Ce₃Bi₄Pd₃の低温量子相図が磁場によってどのように変化するかを調査すること。
• 非熱的制御パラメータが、強い電子相関系におけるトポロジカル量子相をどのように特定できるかを明らかにすること。
• Ce₃Bi₄Pd₃で観測された相転移の性質、特にトポロジカルおよび電子的変化の順序を明確にすること。
• 磁場調整実験を通じて、強い電子相関を示すトポロジカル材料における組織的原則を同定するフレームワークを確立すること。

提案手法

• 変化する磁場下での Ce₃Bi₄Pd₃ の電子的応答を調べる低温ホール効果測定を実施すること。
• ホール抵抗率の分析により、キャリア密度およびその符号の変化を検出することで、トポロジカル転移を特定すること。
• 磁場を非熱的制御パラメータとして用い、系を量子相の間で調整すること。
• ホール応答の変化および絶縁的性質の増大を通じて、ウェイルノードの消滅の兆候を同定すること。
• 実験的ホールデータを、ウェイル半金属およびコンドー金属の理論的予測と比較すること。
• 輸送の異方性および抵抗率の変化に基づいて、相境界をマッピングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場の印加が、ウェイル＝コンドー半金属 Ce₃Bi₄Pd₃ の電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁場調整下で観測された Ce₃Bi₄Pd₃ の二段階の量子相転移の性質は何か？
• RQ3 観測された相転移の順序が、ウェイルノードの消滅に続く重フェルミオン金属状態への遷移に対応しているか？
• RQ4 磁場による非熱的チューニングが、強い電子相関を示すトポロジカル材料の相図を効果的に探索できるか？
• RQ5 本系は、トポロジカル量子物質における組織的原則を同定する上でどのような洞察を提供するか？

主な発見

• 磁場による調整下で、Ce₃Bi₄Pd₃ に二段階の量子相転移が観測され、ホール応答および抵抗率に顕著な変化が見られた。
• 最初の転移は、ウェイルノードの消滅に起因するとされ、符号の変化およびホール信号の抑制により、より絶縁的状態であることが示された。
• 二番目の転移は、重フェルミオン金属相の出現を示しており、有限のホール信号の回復および準粒子散乱の増強によって裏付けられた。
• ホール効果測定により、トポロジカル半金属からトポロジカルに自明な絶縁体状態、そして最終的に重フェルミオン液体への明確な進化が観察された。
• 結果から、磁場によるチューニングが、強い電子相関を示すトポロジカル材料における量子相の探索および同定に有効であることが示された。
• 本研究は、コンドー半金属においてウェイルノードの消滅が絶縁的性質と、その後の重フェルミオン形成と関連している実験的証拠を提供した。