[논문 리뷰] Incommensurate magnetism mediated by Weyl fermions in NdAlSi

Jonathan Gaudet, Hung‐Yu Yang외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 23.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 반사대칭과 시간역행 대칭을 위반하는 Weyl 반도체인 NdAlSi에서 Weyl Fermion이 유도하는 비공배자 자성을 규명한다. 중성자 회절 및 양자 진동 측정을 통해 위상적으로 비자명한 Fermi 포켓 간의 낮은 에너지 상태에서의 난류가 발생하는 장거리 자화 순서가 관측된다. 주요 기여는 Weyl Fermion이 대칭성이 깨진 물질에서 집단적 자성 순서를 매개한다는 최초의 실험적 증거를 제공한다는 점이다.

ABSTRACT

Emergent relativistic quasiparticles in Weyl semimetals are the source of exotic electronic properties such as surface Fermi arcs, the anomalous Hall effect, and negative magnetoresistance, all observed in real materials. Whereas these phenomena highlight the effect of Weyl fermions on the electronic transport properties, less is known about what collective phenomena they may support. Here, we report a new Weyl semimetal, NdAlSi that offers an example. Using neutron diffraction, we report a long-wavelength magnetic order in NdAlSi whose periodicity is linked to the nesting vector between two topologically non-trivial Fermi pockets, which we characterize using density functional theory and quantum oscillation measurements. Our work provides a rare example of Weyl fermions driving collective magnetism.

연구 동기 및 목표

• 반사대칭과 시간역행 대칭을 모두 위반하는 새로운 Weyl 반도체인 NdAlSi를 규명하고 특성화하는 것.
• Weyl 체계에서 위상적 전자 상태와 새로운 집단적 자성 현상 간의 상호작용을 조사하는 것.
• NdAlSi에서 장거리 비공배자 자성 순서의 기원과 Fermi 표면 위상 기하학과의 연관성을 규명하는 것.
• Weyl Fermion이 운반하는 집단적 자성 현상의 존재 여부를 확인하고, 이들이 운반 현상 이외의 역할을 할 수 있는지 밝혀내는 것.

제안 방법

• 100 K에서 단결정 중성자 회절을 통해 I4₁md 공간군에 속하는 NdAlSi의 격자 및 자성 구조를 정밀하게 분석한다.
• BT-7, MACS, SPINS 분광기에서 삼중축 중성자 산란을 수행하여 자성 순서 매개변수와 Bragg 피크의 외부 자장 의존성을 맵핑한다.
• 300 mK에서 35 T Bitter 전류계를 사용한 전기 저항의 양자 진동 측정을 통해 Fermi 표면 기하학을 탐색한다.
• 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 PBE+U 및 스핀-오비탈 결합을 고려해 밴드 구조, Weyl 노드 위치, Fermi 표면 난류 벡터를 계산한다.
• 1500/750 nm에서의 제2차 하모닉 생성(SHG) 측정을 통해 비중심 대칭 구조와 C₄ᵥ 공간군을 확인한다.
• 열용량 및 자화율 측정을 통해 자성 전이와 스핀-오비탈 기저 상태 분리 현상을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weyl 반도체 내 Weyl Fermion이 운반 현상 외에도 집단적 자성 순서를 매개할 수 있는가?
• RQ2 NdAlSi에서 관측된 비공배자 자성 순서의 기원은 무엇이며, Fermi 표면 기하학과 어떤 연관성이 있는가?
• RQ3 NdAlSi의 Weyl 노드와 Fermi 표면 난류 벡터는 자성 기저 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NdAlSi에서 스핀-오비탈 결합과 대칭성의 위반이 위상적 및 자성 순서를 얼마나 안정화시키는가?
• RQ5 T_com = 3.3 K에서 관측된 자성 전이가 페리자성 순서와 일치하는가? 그리고 이는 T_inc = 7.2 K에서의 비공배자 전이와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 중성자 회절 측정 결과, NdAlSi는 비중심 대칭 I4₁md 공간군에 속하며 (χ² = 5.70), Si-Al 이온 자리 혼합 비율은 9% 이하로 제한된다.
• T_inc = 7.2(1) K에서 장거리 비공배자 자성 순서가 관측되며, 이 순서의 波벡터는 위상적으로 비자명한 Fermi 포켓 간 난류 벡터와 정확히 일치한다.
• T_com = 3.3(1) K에서 두 번째 전이가 발생하며, 이는 공배자 페리자성 순서에 해당한다. 1.8 K에서 자화율 비율 χ_c/χ_a > 80는 Ising형 비대칭성을 시사한다.
• 양자 진동 측정과 DFT 계산을 통해 Weyl Fermion과 Fermi 표면 난류의 존재를 확인하였으며, 비공배자 波벡터는 서로 다른 Weyl 노드를 포함하는 Fermi 표면 면적 간의 연결을 나타낸다.
• 자기열용량 측정 결과, 2.35 K에서 300 K 사이에 총 엔트로피 방출 ΔS = 0.96(2) × R ln(10)이 관측되었으며, 이는 Nd³⁺ 이온의 10중도 J = 9/2 기저 상태와 일치한다.
• 스핀-오비탈 결합과 U = 6 eV 조건을 고려한 DFT 계산은 Weyl 노드의 존재를 예측하며, Fermi 표면의 위상적 성질을 확인하여 Weyl 매개 자성 메커니즘을 뒷받침한다.