[논문 리뷰] A magnetic Weyl semimetallic phase in thin films of Eu$_2$Ir$_2$O$_7$

Xiaoran Liu, Shiang Fang외 18명|PubMed|2021. 06. 08.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고질량 (111)-방향 에pitaxial 박막인 Eu₂Ir₂O₇에서 자기적 웨일 준금속 상태의 첫 번째 실험적 실현을 보여준다. 네트워크 자화가 소멸하는 상황에서도 극도로 큰 내재된 비정상 홀 효과가 관측되며, 이는 박막 표면에서의 입방 대칭성 파괴에 의해 유도된다. 이는 페르미 수준 근처에 웨일 노드가 존재함을 직접적으로 입증하며, 시간역행 대칭이 전부-입-전부-나오(antiferromagnetic) 순서에 의해 자발적으로 위반되는 시스템에서 상태의 토폴로지적 성격을 확인한다.

ABSTRACT

The interplay between electronic interactions and strong spin-orbit coupling is expected to create a plethora of fascinating correlated topological states of quantum matter. Of particular interest are magnetic Weyl semimetals originally proposed in the pyrochlore iridates, which are only expected to reveal their topological nature in thin film form. To date, however, direct experimental demonstrations of these exotic phases remain elusive, due to the lack of usable single crystals and the insufficient quality of available films. Here, we report on the discovery of signatures for the long-sought magnetic Weyl semimetallic phase in (111)-oriented Eu_{2}Ir_{2}O_{7} high-quality epitaxial thin films. We observed an intrinsic anomalous Hall effect with colossal coercivity but vanishing net magnetization, which emerges right below the onset of a peculiar magnetic phase with all-in-all-out (AIAO) antiferromagnetic ordering. The anomalous Hall conductivity obtained experimentally is consistent with the theoretical prediction, likely arising from the nonzero Berry curvature emanated by Weyl node pairs near the Fermi level that act as sources and sinks of Berry flux, activated by broken cubic crystal symmetry at the top and bottom terminations of the thin film.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비탈 결합과 전자 상호작용으로 인해 토폴로지 상태를 가질 것으로 예측되는 피로크로라이드 이리데이트에서 자기적 웨일 준금속 상태를 식별하고 실현하는 것.
• 열악한 결정성과 대칭성 파괴 부족으로 인해 기존에 박막에서 웨일 준금속 성질을 관측하지 못했던 장기적인 과제를 극복하는 것.
• Eu₂Ir₂O₇ 박막이 비정상적인 베리 곡률을 지닌 토폴로지 상태를 지닐 수 있음을 입증하고, 이는 양자화된 비정상 홀 효과에 의해 뒷받침된다는 것을 확인하는 것.
• 관측된 비정상 홀 반응이 페르미 수준 근처에 존재하는 웨일 노드 쌍과 관련이 있으며, 표면에 의해 유도된 대칭성 파괴에 의해 활성화된다는 것을 연결하는 것.
• 표면 종료와 비대칭성 파괴의 상호작용으로 인해 네트워크 자화가 없음에도 불구하고 웨일 준금속 상태가 박막에서 나타나는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착을 이용해 이트리아-스테이빌라이즈드 zirconia(YSZ) 기판 위에 고질량 (111)-방향 에피택셜 Eu₂Ir₂O₇ 박막을 성장시키는 것.
• 에피택셜 정렬과 구조적 품질을 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 및 고각도 원추 어두운 영역 스캐닝 투과형 전자현미경(HAADF-STEM)을 사용하는 것.
• 비정상 홀 효과(AHE)를 측정하기 위해 다양한 자기장과 온도 조건에서 운반성질을 측정하여 비정상적인 베리 곡률 효과를 탐지하는 것.
• 다양한 두께(Lz 최대 61 층)를 가진 슬래브 모델에 대해 밀도함수이론(DFT)+U 계산을 수행하여 전자 밴드 구조와 비정상 홀 도전도를 시뮬레이션하는 것.
• 운동량-해상도 스펙트럼 함수와 국소 카린 마커를 계산하여 밴드 상태와 표면 페르미 호 상태의 기여를 분해하는 것.
• 베리 곡률 분포와 그 공간적 국소화를 분석하여 표면에서의 웨일 노드 투영 기여를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 결정에서는 명확한 토폴로지 서명을 보이지 않는 상황에서, Eu₂Ir₂O₇ 박막에서 자기적 웨일 준금속 상태를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 자화가 없는 상황에서 관측된 내재된 비정상 홀 효과의 기원은 무엇인가?
• RQ3 표면 종료 방식(카그로메 평면 대비 삼각형 Ir 평면)이 어떻게 입방 대칭성을 깨뜨리고 비정상 홀 도전도를 유도하는가?
• RQ4 비정상 홀 도전도는 박막 두께에 따라 어떻게 스케일링되는가? 얇은 박막 한계에서 여전히 유한한가?
• RQ5 총 홀 반응에 대해 부스터 상태와 토폴로지적으로 보호된 표면 페르미 호 상태의 기여 비율은 어느 정도인가?

주요 결과

• (111)-방향의 Eu₂Ir₂O₇ 박막에서 네트워크 자화가 소멸하는 상황에서도, 전부-입-전부-나오 순서 전이 온도 이하에서 1 T 이상의 난이도를 가지는 극도로 큰 내재된 비정상 홀 효과가 관측된다.
• 11에서 61 층의 두께 범위에서 비정상 홀 도전도가 거의 일정하게 유지되며, 이는 두께에 의존하지 않는 강건한 반응임을 나타내며, 웨일 노드의 기여와 일치한다.
• 이론적 시뮬레이션은 비정상 홀 반응이 주로 페르미 수준 근처에 존재하는 웨일 노드 쌍과 관련된 비영이 아닌 베리 곡률에 기인하며, 이는 표면에 의해 유도된 입방 대칭성 파괴에 의해 활성화된다는 것을 확인한다.
• 국소 카린 마커 분석은 두 가지 기여를 보여주며, 주로 부스터 유사 상태에서 비롯되는 기여와 표면 페르미 호 상태에서 비롯되는 소규모이지만 명확한 기여를 확인한다. 이 표면 상태는 운동량 공간에서 매우 격리되어 있으며 표면에 국한되어 있다.
• 관측된 운반 성질은 AFI 또는 금속 상을 배제하고, 비정상 홀 도전도가 절연체 상태에서는 감소하고 웨일 준금속 영역에서는 증가함을 보여, 기저 상태가 웨일 준금속임을 확인한다.
• 시스템은 웨일 노드 쌍의 운동량 공간에서의 간격에 비례하는 비양자화된 비정상 홀 도전도를 나타내며, 이는 자기적 웨일 준금속에 대한 이론 예측과 일치한다.