[논문 리뷰] Anisotropic electrical and thermal magnetotransport in the magnetic semimetal GdPtBi

Clemens Schindler, Stanisław Gałeski외 15명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 04.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전기적, 열적, 양자 진동 측정을 ab initio 계산과 결합하여 자기 반도체 물질 GdPtBi에서의 이방성 전기적 및 열적 자기장 전도도를 조사한다. 관측된 자기장 전도도 현상은 웨일 페르미온 물리학만으로는 설명될 수 없으며, 주로 이주성 전자와 국소화된 Gd 4f 자성 모멘트 간의 상호작용에 의해 주도되며, 가능성이 있는 반자성 불순물 기여도 포함된다.

ABSTRACT

The half-Heusler rare-earth intermetallic GdPtBi has recently gained attention due to peculiar magnetotransport phenomena that have been associated with the possible existence of Weyl fermions, thought to arise from the crossings of spin-split conduction and valence bands. On the other hand, similar magnetotransport phenomena observed in other rare-earth intermetallics have often been attributed to the interaction of itinerant carriers with localized magnetic moments stemming from the $4f$-shell of the rare-earth element. In order to address the origin of the magnetotransport phenomena in GdPtBi, we performed a comprehensive study of the magnetization, electrical and thermal magnetoresistivity on two single-crystalline GdPtBi samples. In addition, we performed an analysis of the Fermi surface via Shubnikov-de Haas oscillations in one of the samples and compared the results to \emph{ab initio} band structure calculations. Our findings indicate that the electrical and thermal magnetotransport in GdPtBi cannot be solely explained by Weyl physics and is strongly influenced by the interaction of both itinerant charge carriers and phonons with localized magnetic Gd-ions and possibly also paramagnetic impurities.

연구 동기 및 목표

• GdPtBi에서의 비정상 자기장 전도도의 기원을 규명하는 것, 특히 웨일 페르미온 물리학 또는 자성 상호작용에서 기인하는지 여부를 확인하는 것.
• 국소화된 4f 전자로 인한 강한 전자 상관 효과를 감안할 때, GdPtBi에서 단일 전자 모형의 타당성을 평가하는 것.
• Gd 4f 전자에서 기인하는 국소화된 자성 모멘트와 가능한 반자성 불순물이 전기적 및 열적 전도도에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동 측정을 통해 실험적으로 구한 피에르 표면 특성과 ab initio 밴드 구조 계산 결과를 비교하는 것.
• 자기장 하에서 열 자기저항도의 전자적 및 격자적 기여를 분리하여 분석하는 것.

제안 방법

• 9 T 자기장을 갖는 Quantum Design PPMS를 사용하여 두 개의 단일결정 GdPtBi 시료에서 전기적 및 열적 자기저항도 측정을 수행하였다.
• 1 mA 전류와 77.77 Hz 주파수의 락인 증폭기를 사용한 4점 측정 구형에서 전기적 전도도를 측정하였다.
• 안정상태 방법을 사용하여 열저항도를 측정하였으며, RuO2 히터, Cernox 온도계, 최적화된 열접촉을 갖춘 Cu 열싱크를 사용하였다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동 측정을 통해 피에르 표면의 기하학적 구조와 효과 질량을 추출하였다.
• 일반화된 경계 조건 근사(GGA)와 워너이어 함수 보간을 사용한 DFT를 활용한 ab initio 밴드 구조 계산을 수행하였다.
• 자기화 행동을 분석하여 자성 정렬과 국소 모멘트 기여도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GdPtBi에서 관측된 음의 종방향 자기저항도는 웨일 페르미온의 카이랄리티 비정상성 때문인가, 아니면 다른 메커니즘 때문인가?
• RQ2 국소화된 Gd 4f 자성 모멘트와 반자성 불순물이 GdPtBi의 전기적 및 열적 전도도에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 실험적으로 도출된 피에르 표면 특성(양자 진동으로부터)은 ab initio 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 자기장 하에서 열 전도도의 전자적 및 격자적 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ5 이방성 자기장 전도도 행동은 단일 입자 모형으로 설명될 수 있는가, 아니면 4f 전자 상관 효과에 기인한 다체 효과가 필수적인가?

주요 결과

• GdPtBi의 전기적 및 열적 자기장 전도도 현상은 웨일 페르미온 물리학만으로는 설명될 수 없으며, 관측된 음의 자기저항도는 카이랄리티 비정상성 기대치와 일치하지 않기 때문이다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동 측정 결과, 다수의 피에르 표면 포켓이 존재함을 확인하였으며, ab initio 계산 결과와 일치하지만, 비상호작용 예측 대비 효과 질량이 크게 증가한 것으로 나타났다.
• 자기화 측정 결과, Gd 4f 모멘트가 약 2.5 K 이하에서 반자성 정렬을 보였으며, 이는 강한 국소 모멘트가 이주성 전자들을 산란시킬 수 있음을 시사한다.
• 열저항도는 격자 기여가 우세할 것과는 다르게 강한 자기장 의존성을 보였으며, 이는 상당한 전자적 기여를 시사하지만, 카이랄리티 비정상성으로서는 설명되지 않는다.
• EDXS 및 SEM 분석을 통해 Bi-플럭스 포함 및 잔류 반자성 불순물 존재가 확인되었으며, 이는 비균일한 산란과 비정상적 전도도에 기여할 수 있다.
• 데이터 종합 분석 결과, 이주성 전자와 국소화된 Gd 4f 모멘트 간의 상호작용—불순물에 의해 강화될 가능성까지 고려할 때—관측된 자기장 전도도 현상의 주요 메커니즘이 되었다.