[논문 리뷰] Magnetic Weyl and Dirac Kondo semimetal phases in heterostructures

Seulgi Ok, Markus Legner외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 토폴로지적 쿤도 절연체인 SmB6를 페로자성 또는 반자성 순서를 가진 등형상 쿤도 절연체(예: EuB6, YbB6 또는 CeB6)와 이종구조로 적층함으로써 자기적 와이울 또는 디랙 쿤도 반도체 상이 유도됨을 제안한다. 쿤도 효과는 위상적으로 비자명한 와이울 및 디랙 원뿔을 보호하여, 패러미터 수준에서의 표면 상태가 패러미터 에너지 수준 근처에 존재하는 타입-I 및 타입-II 상을 모두 가능하게 한다.

ABSTRACT

We study a layered three-dimensional heterostructure in which two types of Kondo insulators are stacked alternatingly. One of them is the topological Kondo insulator SmB 6 , the other one an isostructural Kondo insulator AB 6 , where A is a rare-earth element, e.g., Eu, Yb, or Ce. We find that if the latter orders ferromagnetically, the heterostructure generically becomes a magnetic Weyl Kondo semimetal, while antiferromagnetic order can yield a magnetic Dirac Kondo semimetal. We detail both scenarios with general symmetry considerations as well as concrete tight-binding calcu-lations and show that type-I as well as type-II magnetic Weyl/Dirac Kondo semimetal phases are possible in these heterostructures. Our results demonstrate that Kondo insulator heterostructures are a versatile platform for design of strongly correlated topological semimetals.

연구 동기 및 목표

• 토폴로지적 쿤도 절연체와 자기적 쿤도 절연체의 이종구조에서 위상적 반도체 상의 발생을 탐색한다.
• 이종구조에서 페로자성 질서가 자기적 와이울 쿤도 반도체 상을 유도하고, 반자성 질서가 자기적 디랙 쿤도 반도체 상을 유도함을 보여준다.
• 대칭으로 보호되는 밴드 디세이던시를 통해 타입-I 및 타입-II 와이울/디랙 쿤도 반도체 상이 실현 가능함을 확립한다.
• 이러한 상을 위한 위상적 및 자기적 조건을 만족하는 실현 가능한 후보 재료(예: EuB6, YbB6, CeB6)를 규명한다.
• 계면에서의 스트레인 공학이 밴드 갭을 향상시키고 고온에서 쿤도 물리학을 안정화시키는 데 기여함을 보여준다.

제안 방법

• SmB6와 등형상 쿤도 절연체 A B6(A =稀土)를 번갈아 가며 쌓은 3차원 이종구조를 구축한다.
• 대칭 분석과 군 이론을 사용하여, 자기적 질서에 의해 시간역전 대칭이 깨질 때 와이울 또는 디랙 노드가 어떻게 발생하는지 조건을 규명한다.
• 타이트바인드 모델 계산을 수행하여 부스러지기 전 전자 구조를 매핑하고, 위상적으로 보호된 와이울/디랙 원뿔의 존재를 확인한다.
• dispersion 관계를 분석하여 타입-I(선형, 고립된 원뿔)와 타입-II(기울어진 원뿔)의 와이울/디랙 반도체 상을 구분한다.
• 계면에서의 격자 불일치와 스트레인(예: SmB6/EuB6)이 밴드 갭을 조절하고 쿤도 상호작용을 안정화시키는 역할을 평가한다.
• 밴드 구조, 자기 질서, 패러미터 수준 근접도를 바탕으로 후보 재료(YbB6, CeB6)를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6와 유사한 자기적 쿤도 절연체인 EuB6 또는 CeB6의 이종구조는 자기적 와이울 쿤도 반도체 상을 수용할 수 있는가?
• RQ2 어떤 대칭적 조건과 자기적 질서 조건에서 이러한 이종구조에서 자기적 디랙 쿤도 반도체 상이 발생하는가?
• RQ3 이 플랫폼에서 타입-I 및 타입-II 와이울/디랙 쿤도 반도체 상이 모두 실현 가능한가?
• RQ4 밴드 정렬과 자기 질서를 포함한 주요 재료 조건은 무엇인가? 특히 이러한 상을 실현하기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ5 계면 스트레인이 쿤도 유도 위상 반도체 상의 안정성과 관측 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• A B6 층에서의 페로자성 질서는 패러미터 수준 근처에 위상적으로 보호된 와이울 원뿔을 가진 자기적 와이울 쿤도 반도체 상을 유도한다.
• A B6 층에서의 반자성 질서는 결정 대칭에 의해 보호되는 네중도 디랙 원뿔을 가진 자기적 디랙 쿤도 반도체 상을 유도한다.
• 밴드 분산 및 원뿔의 기울기 조건에 따라 타입-I 및 타입-II 와이울 및 디랙 쿤도 반도체 상이 모두 실현 가능하다.
• SmB6의 표면 상태는 이러한 상의 발생을 위한 위상적 씨앗을 제공하며, 쿤도 효과는 그 안정성을 보장한다.
• YbB6와 CeB6는 p- 및 d-오비탈 밴드가 패러미터 수준에 근접해 있고 알려진 자기 질서를 가지므로 실현 가능한 후보 재료이다.
• SmB6/EuB6와 같은 계면에서의 격자 불일치에 기인한 스트레인은 밴드 갭을 증가시키고 쿤도 물리학의 온도 척도를 약 240 K까지 높일 수 있다.