[논문 리뷰] Optical evidence for a Weyl semimetal state in pyrochlore Eu2Ir2O7

Andrei Sushkov, Johannes Hofmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 03.

Nuclear materials and radiation effects인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 반사율 및 온도 범위에서의 투과 측정을 통해 흑연질 Eu2Ir2O7에서 Weyl 반도체 상태에 대한 광학적 증거를 제공한다. 광학 전도도를 루비나이저 합성과 변동성 있는 유전율 함수로 피팅함으로써, 저자들은 스펙트럼 무게의 주요 기여자로 온도에 따라 변화하는 드루드 무게를 규명하여 전자 구조 내에서 금속성 Weyl 페르미온의 존재를 확인한다.

ABSTRACT

A Weyl semimetallic state with pairs of nondegenerate Dirac cones in three dimensions was recently predicted to occur in the antiferromagnetic state of the pyrochlore iridates. Here, we show that the THz optical conductivity and temperature dependence of free carriers in the pyrochlore Eu2Ir2O7 match the predictions for a Weyl semimetal and suggest novel Dirac liquid behavior. The interband optical conductivity vanishes continuously at low frequencies signifying a semimetal. The metal-insulator transition at T_N = 110 K is manifested in the Drude spectral weight, which is independent of temperature in the metallic phase, and which decreases smoothly in the ordered phase. The temperature dependence of the free carrier weight below T_N is in good agreement with theoretical predictions for a Dirac material. The data yield a Fermi velocity v_F=4x10^7 cm/s, a logarithmic renormalization scale Lambda_L=600 K, and require a Fermi temperature of T_F=100 K associated with residual unintentional doping to account for the low temperature optical response and dc resistivity.

연구 동기 및 목표

• 피로크롬 Eu2Ir2O7의 전자 상태를 분석하여 Weyl 반도체 상이 존재하는지를 규명한다.
• 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 Eu2Ir2O7의 온도에 따른 광학적 반응의 기원을 규명한다.
• 광학 전도도에서 자유 운반자(드루드), 격자 진동(포논), 전자 전이의 기여를 구분한다.
• 오직 드루드 스펙트럼 무게만이 온도에 따라 변화함을 검증하여, 금속성 전자 상태의 존재를 확인한다.

제안 방법

• 7 K, 70 K 및 그 이상의 온도에서 실험적 반사율 및 투과 스펙트럼을 드루드 항, 일곱 개의 포논, 다섯 개의 전자 전이로 구성된 모델 유전율 함수를 사용하여 피팅한다.
• 독립적인 온도 의존성을 가진 드루드 및 포논 파arameter를 갖는 루비나이저 진동자 합성으로 광학 전도도를 표현한다.
• 변동성 있는 유전율 함수(VDF)를 사용하여 피팅을 정밀화하고, 루비나이저 합성으로는 해상도가 떨어지는 작은 스펙트럼 특징을 포착한다.
• VDF를 통한 크라머스-크로니크 변환을 적용하여 인과성과 일관성을 확보하고 측정된 주파수 범위를 초월한 외삽을 수행한다.
• 광학 전도도의 적분을 통해 총 스펙트럼 무게 $SW(\omega_c)$ 를 계산하고, 이를 드루드 스펙트럼 무게 $\omega_{sD}^2$ 와 비교한다.
• 총 스펙트럼 무게 곡선을 이동시켜 온도에 따른 기여를 분리하고, 오직 드루드 항만이 온도에 따라 변화함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Eu2Ir2O7의 광학 반응은 Weyl 반도체 상의 서명을 보여주는가?
• RQ2 광학 전도도의 구성 요소 중 드루드, 포논, 전자 전이 중 어느 것이 온도에 따라 변화하는 스펙트럼 무게를 가지는가?
• RQ3 관측된 광학 전도도의 온도 의존성은 드루드 및 포논 파arameter의 변화로만 완전히 설명될 수 있는가?
• RQ4 시스템의 총 스펙트럼 무게는 온도에 독립적인 기여에 의해 지배되는가, 아니면 주로 자유 운반자에 의해 주도되는가?
• RQ5 VDF 및 루비나이저 피팅 모델은 실험 데이터에서 미세한 스펙트럼 특징을 얼마나 잘 반영하는가?

주요 결과

• Eu2Ir2O7의 드루드 스펙트럼 무게는 강한 온도 의존성을 보이며, 운반자 농도 또는 산란률의 변화를 나타내어 금속성 전자 상태와 일치한다.
• 포논 스펙트럼 무게는 온도에 거의 영향을 받지 않지만, 폭은 온도에 따라 변화한다.
• VDF 모델로부터 계산된 총 스펙트럼 무게 $\omega_{pt}^2$ 는 온도에 독립적인 기여를 보정한 후 드루드 항 $\omega_{sD}^2$ 와 정량적으로 일치한다.
• 7 K에서의 드루드 항은 넓고 유한한 dc 전도도를 제공하여 저온에서의 금속성 거동를 확인한다.
• 드루드 피크와 최저 전자 전이 피크의 기울기가 반대 방향이므로, 피팅 절차에서 두 성분의 기여를 명확히 분리할 수 있다.
• VDF 모델은 실험 곡선과 거의 동일한 정확도로 실험 반사율을 재현하여, 루비나이저 합성으로는 포착되지 않는 보조 특징을 포착하는 데의 유용성을 검증한다.