[논문 리뷰] Magnetic and noncentrosymmetric Weyl fermion semimetals in the RAlX family of compounds (R=rare earth, Al=aluminium, X=Si, Ge)

Guoqing Chang, Bahadur Singh외 19명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 07.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 희토류 원소(R = 희토류, X = Si, Ge)로 구성된 RAlX 화합물 계열을, 조절 가능한 자성 순서와 전자 밴드 위상학을 통해 모든 유형의 기여적 와이울 페르미온(τ-파괴, σ-파괴, 타입-I, 타입-II)을 실현할 수 있는 유연한 플랫폼으로 규명한다. 다른 희토류 원소를 선택함으로써 물질은 강자성, 비자성, 또는 반자성일 수 있으며, 이는 전기적, 분광학적, 장치 응용 분야에서 다양한 위상 현상의 체계적 탐구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Weyl semimetals are novel topological conductors that host Weyl fermions as emergent quasiparticles. While the Weyl fermions in high-energy physics are strictly defined as the massless solution of the Dirac equation and uniquely fixed by Lorentz symmetry, there is no such constraint for a topological metal in general. Specifically, the Weyl quasiparticles can arise by breaking either the space-inversion ($\mathcal{I}$) or time-reversal ($\mathcal{T}$) symmetry. They can either respect Lorentz symmetry (type-I) or strongly violate it (type-II). To date, different types of Weyl fermions have been predicted to occur only in different classes of materials. In this paper, we present a significant materials breakthrough by identifying a large class of Weyl materials in the RAlX (R=Rare earth, Al, X=Ge, Si) family that can realize all different types of emergent Weyl fermions ($\mathcal{I}$-breaking, $\mathcal{T}$-breaking, type-I or type-II), depending on a suitable choice of the rare earth elements. Specifically, RAlX can be ferromagnetic, nonmagnetic or antiferromagnetic and the electronic band topology and topological nature of the Weyl fermions can be tuned. The unparalleled tunability and the large number of compounds make the RAlX family of compounds a unique Weyl semimetal class for exploring the wide-ranging topological phenomena associated with different types of emergent Weyl fermions in transport, spectroscopic and device-based experiments.

연구 동기 및 목표

• 모든 유형의 기여적 와이울 페르미온을 수용할 수 있는 단일 물질 계열을 규명하는 것.
• 동일한 시스템에서 여러 유형의 와이울 페르미온을 지지하는 물질의 부족을 해결하는 것.
• 희토류 원소의 제어를 통해 전자 밴드 위상학을 조절 가능하게 하는 것.
• 운반, 분광학, 장치 응용 분야에서 다양한 위상 현상에 대한 실험적 탐구 플랫폼을 제공하는 것.

제안 방법

• 희토류 원소(R = 희토류, X = Si, Ge)를 포함한 RAlX 화합물의 전자 밴드 구조를 첫 원리 계산을 통해 체계적으로 분석하는 것.
• 대칭성 파괴 메커니즘 조사: 공간 역전($\mathcal{I}$) 및 시간 역전($\mathcal{T}$) 대칭성 파괴.
• 로렌츠 대칭 보존 여부에 기반한 와이울 페르미온 분류: 타입-I(로렌츠 보존), 타입-II(로렌츠 위반).
• 희토류 원소를 조절하여 강자성, 비자성, 반자성 등의 자기 기저 상태를 탐색하는 것.
• RAlX 계열 전역에서 와이울 노드 위치와 페르미 호를 매핑하는 것.
• 결정 구조, 자기 순서, 위상 불변량 간의 상관관계를 분석하여 와이울 반도체 거동을 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 물질 계열이 $σ$-파괴 및 $σ$-파괴, 타입-I 및 타입-II를 포함한 모든 유형의 기여적 와이울 페르미온을 수용할 수 있는가?
• RQ2 RAlX에서 희토류 원소의 선택이 자기 순서와 전자 밴드 위상학을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 대칭성 파괴와 RAlX 화합물에서 와이울 페르미온의 기여 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 RAlX 계열은 로렌츠 보존(타입-I) 및 로렌츠 위반(타입-II) 와이울 페르미온을 모두 수용할 수 있는가?
• RQ5 자기적 및 위상적 성질의 조절 가능성은 위상 양자 현상에 대한 새로운 실험 플랫폼을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• RAlX 계열은 $σ$-파괴 및 $σ$-파괴 대칭 메커니즘에 기인한 와이울 페르미온을 수용한다.
• RAlX에서 다른 희토류 원소는 각기 다른 자기 기저 상태를 유도한다: 강자성, 비자성, 또는 반자성.
• 특정 희토류 원소를 선택함으로써 전자 밴드 위상학과 와이울 페르미온 성격을 RAlX 계열 전반에서 조절할 수 있다.
• 모든 유형의 기여적 와이울 페르미온—타입-I 및 타입-II, $σ$-파괴 및 $σ$-파괴—이 동일한 물질 계열 내에서 실현된다.
• 많은 수의 화합물과 높은 조절 가능성 덕분에 RAlX는 다양한 위상 현상을 실험적으로 연구하기에 이상적인 플랫폼이다.
• 이 시스템은 운반, 분광학, 장치 기반 실험에서 와이울 반도체 거동의 체계적 탐구를 가능하게 한다.