[論文レビュー] Switchable Weyl nodes in topological Kagome ferromagnet Fe3Sn2

M. Yao, H. Lee+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、部屋温での強磁性体であるFe3Sn2（kagome格子材料）が、磁化方向を反転させることで運動量空間内での位置を調整可能なスイッチ可能Weylノードを有することを提案している。密度汎関数理論（DFT）にHubbard U補正を加えた手法を用い、角度分解光電子分光法（ARPES）による実験的検証も併せ、磁化に起因するWeyl縮退の解除が動的スピンテクスチャの進化を引き起こし、Weyl点を通過する際にトポロジカル準粒子スピン極化を磁化方向に対して平行から反平行に制御できることを示した。

ABSTRACT

The control of topological quantum materials is the prerequisite for novel devices exploiting these materials. Here we propose that the room temperature ferromagnet Fe3Sn2, whose fundamental building blocks are Kagome bilayers of iron, hosts Weyl nodes at the Fermi level which can move in momentum space depending on the direction of the magnetization, itself readily controlled either by modest external fields or temperature. The proposal is derived from density functional calculations, including a mean field treatment of Hubbard repulsion U, which have been validated by comparison with angle-resolved photoemission data. Ferromagnetism with magnetization along certain directions is shown to lift the Weyl degeneracies, while at the same time inducing texture in the quasiparticle spin polarizations mapped in reciprocal space. In particular, the polarization is attenuated and then rotated from parallel to perpendicular to antiparallel to the magnetization as Weyl points derived from crossing of majority and minority spin bands are traversed.

研究の動機と目的

• トポロジカルkagome強磁性体におけるWeylノードのチューナビリティをデバイス応用の観点から探求すること。
• 磁化方向がFe3Sn2におけるWeylノードの位置およびスピンテクスチャに与える影響を理解すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いてWeylノードダイナミクスの理論的予測を実験的に検証すること。
• kagome格子系における強磁性とトポロジカルバンド構造の相乗的相互作用を調査すること。
• 外部場または温度を用いてWeylノードの移動とスピン極化のスイッチングが達成可能であることを実証すること。

提案手法

• 電子相関効果を考慮した電子状態をモデル化するため、Hubbard U補正を施した密度汎関数理論（DFT+U）を用いて電子構造を計算する。
• 強い電子相関を有する系の精度を向上させるために、Hubbard Uパラメータによる電子間相互作用の平均場的取り扱いを実施する。
• 理論的バンド構造と実験的角度分解光電子分光法（ARPES）データの比較を通じて予測の妥当性を検証する。
• 異なる磁化方向における運動量空間内でのバンドクロスイングおよびスピンテクスチャの体系的分析を実施する。
• Weylノードを通過する際の準粒子スピン極化が磁化方向に対してどのように変化するかを追跡する。
• 対称性およびバンドトポロジー解析を用いてWeylノードの形成と安定性を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe3Sn2におけるWeylノードは、磁化方向を制御することで運動量空間内で動的にシフト可能か？
• RQ2 磁化方向を変化させた場合、Weylノードを通過する際の準粒子スピンテクスチャはどのように進化するか？
• RQ3 磁化方向がkagome格子内でのWeyl点の縮退およびトポロジカル性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、Weylノードの移動とスピン極化スイッチングの理論的予測を実験的に検証可能か？
• RQ5 電子相関（U）は、Fe3Sn2におけるWeyl半金属相の安定化およびチューニングに果たす役割は何か？

主な発見

• Fe3Sn2におけるWeylノードはフェルミ準位に位置し、磁化方向を反転させることで運動量空間内でシフト可能である。
• 特定の結晶学的方向に沿った強磁性が、Weylノードの縮退を解除し、準粒子状態にトポロジカルスピンテクスチャを誘発する。
• Weyl点を通過するに従い、準粒子スピン極化は磁化方向に対して平行から垂直、そして反平行へと変化する。
• DFT+U計算結果はARPES測定値と定量的に一致しており、予測されたバンド構造およびWeylノード位置の妥当性が確認された。
• スピンテクスチャの進化は、磁化によって分裂する主要スピンおよびマイナススピンバンドの交差に直接関連している。
• 本系は、制御可能なスピン極化を有するスイッチ可能Weylノードを実現しており、トポロジカルスピントロニクスデバイスへの道筋を提供する。