[논문 리뷰] Magnetic semimetals and quantized anomalous Hall effect in EuB6

Simin Nie, Sun, Yan외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 부드러운 페로자성 물질인 EuB6에서 자화 방향을 조절함으로써 다중 위상 준금속 상—노드 라인, 와이울, 노드 라인/와이울 공존—을 예측한다. [111] 방향의 양자우물에서 큰 치르너 수를 가진 양자 이상 홀 효과를 나타내어 스핀트로닉스 및 위상 양자 장치 응용 가능성을 열어둔다.

ABSTRACT

Exploration of the novel relationship between magnetic order and topological semimetals has received enormous interest in a wide range of both fundamental and applied research. Here we predict that soft ferromagnetic (FM) material EuB6 can achieve multiple topological semimetal phases by simply tuning the direction of the magnetic moment. Explicitly, EuB6 is a topological nodal-line semimetal when the moment is aligned along the [001] direction, and it evolves into a Weyl semimetal with three pairs of Weyl nodes by rotating the moment to the [111] direction. Interestingly, we identify a novel semimetal phase featuring the coexistence of a nodal line and Weyl nodes with the moment in the [110] direction. Topological surface states and anomalous Hall conductivity, which is sensitive to the magnetic order, have been computed and are expected to be experimentally observable. Large-Chern-number quantum anomalous Hall effect can be realized in its [111]-oriented quantum-well structure.

연구 동기 및 목표

• 부드러운 페로자성 물질에서 자성 질서와 위상 준금속 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• EuB6에서 자화 방향이 다양한 위상 상을 유도하는 방식을 조사하기 위해.
• 실험적으로 관측 가능한 위상 표면 상태와 이상 홀 전도도를 예측하기 위해.
• [111]-방향 양자우물에서 큰 치르너 수를 가진 양자 이상 홀 효과의 실현을 보여주기 위해.

제안 방법

• 자기모멘트 방향을 변화시킬 때 전자 구조를 분석하기 위해 최초 원리 계산과 효과적 k·p 모델을 사용하였다.
• [111] 방향의 양자우물에서 치르너 수를 계산하기 위해 윌슨 루프 방법을 적용하였다.
• 자기장 및 위상적 성질을 모델링하기 위해 스핀 편극화 밀도함수이론(DFT)에 스핀-오비트 결합을 적용하였다.
• [001]에서 [111] 및 [110] 방향으로 자화가 회전함에 따라 와이울 노드와 치르너 수의 변화를 추적하였다.
• 위상적 반응을 탐색하기 위해 자화 질서 함수에 따라 이상 홀 전도도(AHC)를 계산하였다.
• 위상적 불변량을 분류하기 위해 대칭성 분석 및 페어리티 고유값 계산을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuB6에서 자화 방향 조절이 별개의 위상 준금속 상을 유도할 수 있는가?
• RQ2 자기모멘트가 [001], [111], [110] 방향으로 정렬되었을 때 어떤 위상 상이 나타나는가?
• RQ3 이상 홀 전도도는 자화 질서와 위상 불변량에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 [111]-방향의 EuB6 양자우물에서 큰 치르너 수를 가진 양자 이상 홀 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ5 스핀-오비트 결합과 밴드 역전은 노드 라인 및 와이울 준금속 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자기모멘트가 [001] 방향으로 정렬되었을 때 EuB6는 위상적 노드 라인 준금속으로 예측된다.
• 모멘트를 [111] 방향으로 회전시키면 EuB6는 세 쌍의 와이울 노드를 가진 와이울 준금속으로 진화한다.
• 모멘트가 [110] 방향으로 정렬되었을 때는 새로운 상—노드 라인과 와이울 노드가 공존하는 상—이 확인된다.
• 이상 홀 전도도는 자화 질서에 매우 민감하며, [111] 양자우물에서의 구조에서 양자화된 플랫폼을 나타낸다.
• [111]-방향 양자우물에서 두께 d = 30 Å 및 60 Å일 경우 총 치르너 수는 각각 3과 6이다.
• FM2 상에서 와이울 노드는 특정 매개변수 조건 하에서 여러 개의 노드로 분리될 수 있으며, (111) 평면의 치르너 수는 연속적인 와이울 노드 통과 시 ±3, ±6, −6, +3로 변화한다.