[논문 리뷰] Monopole-like orbital-momentum locking and the induced orbital transport in topological chiral semimetals

Qun Yang, Jiewen Xiao외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 05.

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 RhSi, PdGa와 같은 B20 구조를 가진 토폴로지적 편향 반도체에서 3차원 피르미 표면에 단극자 유사 궤도 운동량 결합 구조가 존재함을 밝혀내며, 이는 전류 흐름 하에서 큰 궤도 홀 효과(OHE)와 기하학적 편향성에 따라 달라지는 거대한 궤도 전자기 효과(OME)를 유도한다. OME 효과는 그 스핀 대응 효과보다 크게 나타나며, 궤도 구조가 궤도 전자기학 및 대칭성 이성체 인식 응용의 핵심 요소임을 시사한다.

ABSTRACT

The interplay between chirality and topology nurtures many exotic electronic properties. For instance, topological chiral semimetals display multifold chiral fermions that manifest nontrivial topological charge and spin texture. They are an ideal playground for exploring chirality-driven exotic physical phenomena. In this work, we reveal a monopole-like orbital-momentum locking texture on the three-dimensional Fermi surfaces of topological chiral semimetals with B20 structures (e.g., RhSi and PdGa). This orbital texture enables a large orbital Hall effect (OHE) and a giant orbital magnetoelectric (OME) effect in the presence of current flow. Different enantiomers exhibit the same OHE which can be converted to the spin Hall effect by spin-orbit coupling in materials. In contrast, the OME effect is chirality-dependent and much larger than its spin counterpart. Our work reveals the crucial role of orbital texture for understanding OHE and OME effects in topological chiral semimetals and paves the path for applications in orbitronics, spintronics, and enantiomer recognition.

연구 동기 및 목표

• B20 구조를 가진 토폴로지적 편향 반도체(RhSi, PdGa 등)에서 궤도 구조의 역할을 조사하기 위해.
• 편향성과 토폴로지가 궤도 및 스핀 운반 현상에 어떻게 상호작용하는지 이해하기 위해.
• 유일한 궤도 운동량 결합에 의해 유도되는 거대한 궤도 홀 효과 및 궤도 전자기 효과의 발생을 탐색하기 위해.
• 궤도 전자기 효과의 편향성에 따른 특성을 그 스핀 대응 효과와 구별하기 위해.
• 이러한 물질이 궤도 전자기학, 스핀트로닉스 및 편향성 감지 응용 분야에서 잠재적 응용 가능성을 확립하기 위해.

제안 방법

• B20형 편향 반도체(RhSi, PdGa)에 대해 첫 원리 전자 구조 계산을 수행하여 3차원 피르미 표면 상의 궤도 구조를 매핑하였다.
• 운동량 공간에서의 베리 접속 및 곡률 분석을 통해 단극자 유사 구조를 규명한 궤도 운동량 결합을 확인하였다.
• 쿠보 공식을 사용하여 궤도 행렬 요소와 피르미 표면의 이방성을 포함한 궤도 운반 계수를 계산하였다.
• 적용된 전류 및 전기장 하에서 궤도 홀 효과(OHE)와 궤도 전자기 효과(OME)를 평가하였다.
• 스핀 궤도 결합을 포함시켜 이 물질들에서 OHE가 스핀 홀 효과로 전환되는지 검토하였다.
• 대칭성 이성체 특이 반응을 분석하여 OME 효과의 편향성 의존성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B20 구조를 가진 토폴로지적 편향 반도체의 3차원 피르미 표면에서 궤도 운동량 결합은 어떻게 나타나는가?
• RQ2 이 물질들에서 궤도 홀 효과의 크기와 기원은 무엇이며, 스핀 홀 효과와 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ3 궤도 전자기 효과는 편향성이 있는가? 그리고 그 강도는 스핀 대응 효과와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 스핀 궤도 결합을 통해 궤도 홀 효과가 스핀 홀 효과로 전환될 수 있는가?
• RQ5 궤도 구조는 어떻게 거대하고 편향성 있으며 비자명한 운반 반응을 가능하게 하는가?

주요 결과

• RhSi, PdGa와 같은 B20형 편향 반도체의 3차원 피르미 표면에서 단극자 유사 궤도 운동량 결합 구조가 확인되었다.
• 이 구조는 큰 궤도 홀 효과(OHE)를 유도하며, 이는 양대칭 이성체에서 크기가 동일하다.
• 궤도 전자기 효과(OME)는 강하게 편향성에 의존하며, 해당 스핀 전자기 효과보다 크기가 크게 나타난다.
• 스핀 궤도 결합은 OHE를 스핀 홀 효과로 전환시킬 수 있으며, 궤도 및 스핀 자유도 간의 상호작용을 확인한다.
• 궤도 구조는 거대한 OME 효과의 주요 기원이며, 기존의 스핀 기반 전자기 반응과 구별된다.
• 이러한 발견은 토폴로지적 편향 반도체가 궤도 전자기학 및 대칭성 이성체 특이 감지에 있어 유망한 플랫폼이 됨을 시사한다.