[논문 리뷰] Colossal anomalous Nernst effect in a correlated noncentrosymmetric kagome ferromagnet

Asaba, T., Ivanov, V.외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 131

한 줄 요약

이 연구는 우라늄의 5f 전자에서 강한 전자 상호작용과 스핀-오비트 결합으로 인해 발생하는 거대한 비정상 Nernst 효과(23 µV/K)를 보고한다. 이 효과는 페로자성 카그롬 금속 UCo0.8Ru0.2Al에서 발생하며, 페르미 수준 근처에 최소 148개의 와일 노드와 노드 라인이 밀도 있게 분포해 있으며, 이로 인해 극도로 강한 베리 기울기가 발생하여 전통적인 재료를 뛰어넘는 횡방향 열전기 반응을 증폭시킨다.

ABSTRACT

Analogous to the Hall effect, the Nernst effect is the generation of a transverse voltage due to a temperature gradient in the presence of a perpendicular magnetic field. The Nernst effect has promise for thermoelectric applications and as a probe of electronic structure. In magnetic materials, a so-called anomalous Nernst effect (ANE) is possible in zero magnetic field. Here we report a colossal ANE reaching 23 $\mu$V/K in the ferromagnetic metal UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. Uranium's $5f$ electrons provide strong electronic correlations that lead to narrow bands, which are a known route to producing a large thermoelectric response. Additionally, the large nuclear charge of uranium generates strong spin-orbit coupling, which produces an intrinsic transverse response in this material due to the Berry curvature associated with the relativistic electronic structure. Theoretical calculations show that at least 148 Weyl nodes and two nodal lines exist within $\pm$ 60 meV of the Fermi level in UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. This work demonstrates that magnetic actinide materials can host strong Nernst and Hall responses due to their combined correlated and topological nature.

연구 동기 및 목표

• 열전 응용을 위한 비정상 Nernst 효과(ANE)가 향상된 재료 탐색.
• 강한 전자 상관관계, 큰 스핀-오비트 결합, 위상적 밴드 구조를 동시에 갖춘 시스템을 식별하여 베리 기울기 기여도를 극대화.
• 카그롬 격자 대칭성과 비중앙대칭성이 와일 노드와 노드 라인을 어떻게 형성하는지 조사.
• 우라늄 기반 상관 페로자성체가 거대한 ANE 반응을 나타낼 수 있음을 입증.
• 양자临계 와일 노드와 극도의 열전 횡방향 반응 사이의 연관성을 설정.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합을 고려한 제1원리 전자 구조 계산을 통해 UCo0.8Ru0.2Al의 베리 기울기 및 와일 노드 분포를 매핑.
• 세로 전기저항 ρxx와 시브크 계수 Sxx 측정을 통해 T_C = 56 K에서 페로자성 전이를 확인.
• 몰트 공식을 사용하여 전도도 및 열전력 텐서를 통해 비정상 Nernst 계수를 베리 기울기와 연관.
• 브릴루아 영역 전역에 걸친 베리 기울기 적분을 이용한 비정상 홀 전도도(AHC)의 이론적 모델링.
• 5f 전자 상관관계를 반영하기 위해 허브 U 보정을 적용한 스핀 분리 밀도함수이론(DFT)을 이용한 전자 구조 분석.
• 대칭성 및 밴드 구조 분석을 통한 위상적 특성(와일 노드 및 노드 라인 등) 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상관관계가 있는 비중앙대칭 카그롬 페로자성체에서 거대한 비정상 Nernst 효과를 갖출 수 있는가?
• RQ2 와일 노드와 노드 라인이 베리 기울기와 횡방향 열전기 반응을 어떻게 증폭시키는가?
• RQ3 우라늄 5f 전자에서의 강한 전자 상관관계와 스핀-오비트 결합이 비정상 Nernst 효과를 어떻게 증폭시키는가?
• RQ4 UCo0.8Ru0.2Al에서 관측된 ANE는 주로 내재적 성질이며 베리 기울기에 의해 주도되는가?
• RQ5 페르미 수준 근처에 많은 수의 와일 노드(≥148개)가 존재하는 것이 기록적인 ANE 값(23 µV/K)을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• UCo0.8Ru0.2Al에서 비정상 Nernst 효과가 23 µV/K에 도달하여 지금까지 보고된 바 중 가장 큰 값이다.
• 이론적 계산 결과, 페르미 수준 ±60 meV 범위 내에서 최소 148개의 와일 노드와 두 개의 노드 라인이 존재함을 확인하여 매우 비틀림이 심한 위상적 전자 구조임을 시사.
• 베리 기울기 기여로 인한 비정상 홀 전도도는 약 2,000 Ω⁻¹cm⁻¹로 계산되어 강한 내재 기여를 확인.
• 큰 ANE는 강한 5f 전자 상관관계, 큰 스핀-오비트 결합, 카그롬 격자 기하학이 함께 작용하여 베리 기울기를 강화함으로써 발생함.
• T_C = 56 K에서의 페로자성 전이가 ρxx와 Sxx의 뾰족한 변화로 나타나 전자 산란과 열전력의 변화를 나타냄.
• 잔류 전기저항 105 µΩcm, 세로 전도도 약 9,500 Ω⁻¹cm⁻¹를 보이며 중간 정도의 더러운 금속 상태를 나타냄.