[논문 리뷰] Pr$_2$Ir$_2$O$_7$: when Luttinger semimetal meets Melko-Hertog-Gingras spin ice state

Xu-Ping Yao, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Pr₂Ir₂O₇에서의 순서된 '멜코-허트로그-징래스' 스핀 얼음 상태가 이рид늄 5d 전자들의 밴드 구조를 재구성하는 내부 자기장을 생성하며, 시간역행 대칭 불변 점에서 대칭 보호된 디рак 콘을 유도하고 와일 노드를 안정화시킨다고 제안한다. 프라세오디움 4f 스핀과 이리듐 도핑 전자 간의 f-d 스핀 교환 상호작용은 위상적 밴드 특성의 자기장 제어를 가능하게 하여, 상관 전자 시스템에서 위상적 반도체를 공학적으로 설계할 수 있는 조절 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

We study the band structure topology and engineering from the interplay between local moments and itinerant electrons in the context of pyrochlore iridates. For the metallic iridate Pr$_2$Ir$_2$O$_7$, the Ir $5d$ conduction electrons interact with the Pr $4f$ local moments via the $f$-$d$ exchange. While the Ir electrons form a Luttinger semimetal, the Pr moments can be tuned into an ordered spin ice with a finite ordering wavevector, dubbed "Melko-Hertog-Gingras" state, by varying Ir and O contents. We point out that the ordered spin ice of the Pr local moments generates an internal magnetic field that reconstructs the band structure of the Luttinger semimetal. Besides the broad existence of Weyl nodes, we predict that the magnetic translation of the "Melko-Hertog-Gingras" state for the Pr moments protects the Dirac band touching at certain time reversal invariant momenta for the Ir conduction electrons. We propose the magnetic fields to control the Pr magnetic structure and thereby indirectly influence the topological and other properties of the Ir electrons. Our prediction may be immediately tested in the ordered Pr$_2$Ir$_2$O$_7$ samples. We expect our work to stimulate a detailed examination of the band structure, magneto-transport, and other properties of Pr$_2$Ir$_2$O$_7$.

연구 동기 및 목표

• Pr₂Ir₂O₇에서 이리듐 5d 도핑 전자와 프라세오디움 4f 국소 스핀 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 프라세오디움 스핀이 순서된 '멜코-허트로그-징래스' 스핀 얼음 상태가 이리듐 전자의 위상적 밴드 구조에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 프라세오디움 스핀 순서의 자석 이동 대칭성이 이리듐 밴드 구조에서 시간역행 대칭 불변 점에서 디랙 콘을 보호한다는 것을 제안하기 위해.
• 외부 자기장이 f-d 스핀 교환 상호작용를 통해 반도체 및 절연체 상 사이의 전이를 조절할 수 있음을 보여주기 위해.
• 순서된 Pr₂Ir₂O₇ 시료에서 ARPES, 광학 및 자화 전도도 실험을 위한 검증 가능한 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 프라세오디움 4f 스핀과 이리듐 5d 전자 간의 f-d 스핀 교환 상호작용를 포함한 타이트바인딩 해밀토니안을 사용한 Pr₂Ir₂O₇의 밴드 구조 이론적 모델링.
• '멜코-허트로그-징래스' 스핀 얼음 상태의 자석 이동 대칭성과 시간역행 대칭 보호에 의한 디랙 노드의 영향 분석.
• 군 이론과 운동량 공간 대칭 분석을 사용하여 고대칭 점에서 보호된 밴드 접촉을 규명하기 위해.
• f-d 스핀 교환 상호작용의 매개변수 공간에서 위상 전이를 맵핑하기 위한 단계도 작성.
• 대칭 성질의 붕괴로 인해 외부 자기장 하에서 와일 노드 형성이 예측됨.
• 실험적 탐사 방법 제안: 직접 밴드 구조 맵핑을 위한 ARPES, 밴드 간 전이를 위한 광학 스펙트로스코피, 비정상 허르츠 효과 및 금속-절연체 전이를 위한 자화 전도도 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프라세오디움 4f 스핀의 순서된 '멜코-허트로그-징래스' 스핀 얼음 상태는 Pr₂Ir₂O₇에서 이리듐 5d 도핑 전자 밴드 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 프라세오디움 스핀이 '멜코-허트로그-징래스' 상태로 순서가 되었을 때, 이리듐 밴드 구조에서 디랙 콘의 발생을 보호하는 대칭성은 무엇인가?
• RQ3 외부 자기장이 Pr₂Ir₂O₇에서 이리듐 밴드 구조의 위상적 성질을 조절할 수 있으며, 만약 가능하면 그 방식은 무엇인가?
• RQ4 프라세오디움 스핀 얼음 순서 상태에 의해 유도된 위상적 특성과 비순서 상태에서의 특성을 구별할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ5 f-d 스핀 교환 상호작용는 이 시스템에서 자기장에 의해 유도되는 금속-절연체 전이를 어떻게 매개하는가?

주요 결과

• '멜코-허트로그-징래스' 스핀 얼음 순서는 Pr₂Ir₂O₇에서 이리듐 5d 밴드 구조를 재구성하는 내부 자기장을 생성하며, 시간역행 대칭 불변 점에서 대칭 보호된 디랙 콘을 유도한다.
• 프라세오디움 스핀 순서의 자석 이동 대칭성이 부르주아 브릴루앙 존의 특정 고대칭 점에서 디랙 노드를 보호한다.
• 외부 자기장 하에서의 순서된 Pr₂Ir₂O₇ 시료와 비순서 상태 모두에서 다양한 유형의 와일 노드가 일반적으로 존재한다.
• 외부 자기장을 적용하면 디랙 콘의 보호성이 해제되어 그들이 사라지며, 이는 명확한 실험적 서명을 제공한다.
• 상태도는 자기장에 의해 유도되는 금속-절연체 전이를 보이며, 강한 f-d 스핀 교환 상호작용 하에서 반도체 영역의 대부분이 절연체 상으로 전이된다.
• ARPES, 광학 측정 및 자화 전도도는 예측된 위상적 특성과 전이를 탐지하기 위한 타당한 실험적 탐사 수 Mittel로 제안된다.