[논문 리뷰] Dirac fermions in the heavy-fermion superconductors Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$

Kent Shirer, Yan Sun외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 01.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Ce(Co,Rh,Ir)In₅ 중성자성 초전도체가 편심된 노드 근처의 에너지 수준에서 Dirac Fermion을 포함하고 있으며, 이는 In-5s 및 In-4p_z 오비탈에서 기인하여 위상적 반금속 거동를 유도한다. 이론적 및 실험적 증거는 이러한 Dirac 노드가 고자기장 조건에서 위상적 Lifshitz 전이를 유도함을 보여주며, 이는 서로 다른 영구 상태를 가진 세 화합물 간에 유사한 고자기장 양자 진동 및 저항도 급격한 변화를 설명한다. 이는 비국소적 위상적 초전도성에 기여할 가능성이 있다.

ABSTRACT

The Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ family of ``Ce-115'' materials hosts an abundance of correlated electron behavior, including heavy-fermion physics, magnetism, superconductivity and nematicity. The complicated behavior of these entangled phenomena leads to a variety of exotic physical properties, which, despite the seemingly simple crystal structure of these compounds, remain poorly understood. It is generally accepted that the interplay between the itinerant and local character of Ce-$4f$ electrons is the key to their exotic behavior. Here, we report theoretical evidence that the Ce-115 materials are also topological semi-metals, with Dirac fermions around well-separated nodes. Dirac nodes in each compound are present on the $Γ-Z$ plane close to the Fermi level. As the Dirac bands are derived from In-orbitals, they occur in all family members irrespective of the transition metal (Co,Rh,Ir). We present the expected Fermi-arc surface state patterns and show the close proximity of a topological Lifshitz transition, which possibly explains the high field physics of Ce-115 materials. Experimentally, we highlight the surprising similarity of Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ in high magnetic fields, despite the distinctly different states of the Ce-$4f$ electrons. These results raise questions about the role Dirac fermions play in exotic transport behavior, and we propose this class of materials as a prime candidate for unconventional topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관 전자 행동을 보이는 이들 물질의 복잡한 상관 전자 구조에도 불구하고, Ce(Co,Rh,Ir)In₅의 위상적 전자 구조를 조사하기 위해.
• 이 무거운 Fermion 체계에서 Dirac Fermion이 존재하는지, 그리고 어떻게 기이한 양자 현상에 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• CeCoIn₅, CeRhIn₅, 및 CeIrIn₅ 간에 고자기장에서의 저항도 및 양자 진동의 놀라운 유사성을 설명하기 위해.
• 강한 상관계가 있는 체계에서 Dirac Fermion이 위상적 초전도성과 nematic 전이를 어떻게 가능하게 하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• La-115를 기준으로 하여 Ce-115 화합물의 Dirac 노드를 규명하기 위해 최초 원리 밴드 구조 계산을 수행하였다.
• Fermi 수준 근처의 밴드의 오비탈 특성을 분석하여, Dirac 교차점의 기원으로 In-5s 및 In-4p_z 상태를 규명하였다.
• 위상적 반금속 거동에 기대어 예측되는 Fermi-arc 표면 상태 패tern을 모델링하였다.
• 자기장에 의한 Fermi 표면 위상 구조의 재구성에 의해 위상적 Lifshitz 전이의 가까움을 평가하였다.
• 저항도 및 양자 진동을 포함한 고자기장 운반 측정 결과와 이론 예측을 연계하였다.
• 대칭성 및 밴드 위상 구조 논증을 사용하여 Dirac 노드와 관측된 nematic 및 초전도 전이를 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전자 상관관계와 무거운 Fermion 거동에도 불구하고, Ce(Co,Rh,Ir)In₅에 Dirac Fermion이 존재하는가?
• RQ2 CeCoIn₅, CeRhIn₅, 및 CeIrIn₅에서 동일한 고자기장 양자 진동 주파수 및 저항도 불연속성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 고자기장 조건에서의 위상적 Lifshitz 전이가 급격한 저항도 급증 및 거대한 양자 진동을 설명할 수 있는가?
• RQ4 Dirac Fermion은 이 물질들에서 비국소적 초전도성과 nematic 질서의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 Dirac Fermion의 측성 특성은 CeRhIn₅에서 관측된 매크로스코픽 측성 자기적 질서를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 Ce(Co,Rh,Ir)In₅ 화합물에서 Fermi 수준 근처의 Γ–Z 평면에 In-5s 및 In-4p_z 오비탈에서 기인하는 Dirac 노드가 존재한다.
• 전이 금속(Co, Rh, Ir)의 종류에 관계없이 동일한 오비탈 기원으로 인해 Dirac 밴드는 모든 가족 구성원에서 강건하게 유지된다.
• 고자기장 조건에서 Dirac 포켓이 Fermi 표면에서 분리되는 위상적 Lifshitz 전이가 예측된다.
• 이 전이로 인해 CeRhIn₅ 및 CeIrIn₅에서 약 28 T에서 관측된 거대한 양자 진동 및 급격한 저항도 급증이 설명된다.
• 영구 상태가 서로 다른 점을 감안할 때도, 공통된 위상적 전자 구조 덕분에 CeCoIn₅, CeRhIn₅, 및 CeIrIn₅ 간의 고자기장 거동이 일관되게 유지된다.
• Dirac 노드는 Fermi 표면에 준위 입자 측성성을 인식시켜 CeRhIn₅에서 매크로스코픽 측성 자기적 질서를 안정화시킬 수 있다.