[논문 리뷰] Berry curvature generation detected by Nernst responses in ferroelectric Weyl semimetal

Cheng-Long Zhang, Tian Liang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 48인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 인듐 도핑된 Pb1−xSnxTe에서 유전체적이고 비자성인 와이울 밴드 구조를 실현하며, 이는 In 도핑과 Sn/Pb 비율에 의해 제어 가능한 유전체성으로 인version 대칭이 깨지고 가변적인 와이울 노드가 생성된다. 각도 의존성 네르누스트 효과 측정을 통해 자속이 와이울 노드를 재분포시키는 방식으로 베리 곡률이 생성되는 것을 관측하였으며, 이는 외부 자장 없이도 깔끔하고 높은 가변성을 가진 토폴로지적 페르미온 제어 플랫폼을 확립한다.

ABSTRACT

The quest for nonmagnetic Weyl semimetals with high tunability of phase has remained a demanding challenge. As the symmetry breaking control parameter, the ferroelectric order can be steered to turn on/off the Weyl semimetals phase, adjust the band structures around the Fermi level, and enlarge/shrink the momentum separation of Weyl nodes which generate the Berry curvature as the emergent magnetic field. Here, we report the realization of a ferroelectric nonmagnetic Weyl semimetal based on indium doped Pb1 xSnxTe alloy where the underlying inversion symmetry as well as mirror symmetry is broken with the strength of ferroelectricity adjustable via tuning indium doping level and Sn/Pb ratio. The transverse thermoelectric effect, i.e., Nernst effect both for out of plane and in plane magnetic field geometry, is exploited as a Berry curvature sensitive experimental probe to manifest the generation of Berry curvature via the redistribution of Weyl nodes under magnetic fields. The results demonstrate a clean non-magnetic Weyl semimetal coupled with highly tunable ferroelectric order, providing an ideal platform for manipulating the Weyl fermions in nonmagnetic system.

연구 동기 및 목표

• 유전체적 질서를 통해 고가변성의 비자성 와이울 밴드 구조를 실현하기 위해.
• Pb1−xSnxTe에서의 유전체성이 역행 대칭을 깨고 와이울 노드를 생성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 네르누스트 효과를 베리 곡률 민감도가 높은 探침 수 Mittel로 사용하여 자장에 의해 유도된 와이울 노드 재분포를 탐지하기 위해.
• 외부 자장 없이도 깔끔하고 가변적인 시스템을 통해 와이울 페르미온을 제어할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.
• [001] 방향 극성 변형과 거울 대칭의 붕괴가 유한한 베리 곡률 생성에 미치는 역할을 확인하기 위해.

제안 방법

• 제어된 Sn/Pb 비율과 도핑 농도를 가진 In 도핑된 Pb1−xSnxTe 단결정을 Bridgman-Stockbarger 방법으로 성장시켰다.
• PPMS에 장착된 샘플 로테이터를 이용한 4점 측정법을 사용하여 전기적 및 열전도성 전도도 측정을 수행하였다.
• 수평 방향으로 열원 1개와 온도계 2개를 갖춘 자체 제작된 수직 방향 네르누스트 측정 장치를 사용하여 횡방향 열전도 성분을 측정하였다.
• ab 평면에 수직으로 입사한 2차 고조파 발생(SHG) 측정을 통해 평면 내 극성 변형과 [001] 방향 극성 방향을 확인하였다.
• PBE 함수를 사용한 첫 번째 원리 DFT 계산과 타이트 결합 모델링을 통해 전자 구조와 극성 변형 하에서의 와이울 노드 진화를 분석하였다.
• 각도 의존성 네르누스트 측정을 통해 자장 방향에 의해 a 축 및 b 축에 수직인 두 거울 대칭을 깨면서 베리 곡률 기여도를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pb1−xSnxTe에서의 유전체성이 가변적인 비자성 와이울 밴드 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 자장의 적용이 이 시스템에서 와이울 노드를 재분포시키고 베리 곡률을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 기본 드루드 기여가 없는 조건에서 네르누스트 효과가 베리 곡률에 대한 선택적 탐침 수 Mittel로 기능할 수 있는가?
• RQ4 극성과 자장 방향에 의한 거울 대칭 붕괴가 유한한 베리 곡률 생성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ5 In 도핑과 Sn/Pb 비율 조절이 와이울 노드 간격과 토폴로지적 밴드 구조를 어떻게 제어하는가?

주요 결과

• 유전체적 와이울 밴드 상태는 In 도핑된 Pb1−xSnxTe에서 Fermi 수준 근처에 깔끔한 밴드 구조를 보이며, 전도도 및 밴드 구조 계산으로 확인되었다.
• 네르누스트 효과는 강한 각도 의존성을 보였으며, 자장 방향이 a 축 및 b 축에 수직인 두 거울 평면을 모두 깨울 때 최대 응답을 보였다.
• 자장에 의해 와이울 노드 재분포로 인해 유한한 베리 곡률이 생성되었으며, 네르누스트 응답에서 드루드 기여가 없음을 통해 확인되었다.
• 2차 고조파 발생 측정을 통해 주로 [001] 방향의 극성 변형이 확인되었으며, 이는 베리 곡률 생성에 필요한 거울 대칭 붕괴를 유도하였다.
• In 도핑과 Sn/Pb 비율 조절을 통해 와이울 노드 간격의 가변성과 NI, WSM, TCI 상태 간의 상전이를 관찰하였다.
• 수평 및 수직 자장 기하 구조에서 드루드 항이 억제됨에 따라 관측된 네르누스트 응답은 유일하게 베리 곡률 기여로 기인하며, 전통적인 전도성 기여와는 무관하다.