[논문 리뷰] Quenching a Weyl-Kondo semimetal by magnetic field

Sami Dzsaber, D. A. Zocco외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 04.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 헬 효과 측정을 통해 외부 자기장 조절을 통한 Weyl-Kondo 반도체 Ce₃Bi₄Pd₃의 성질을 조사하여, 두 단계의 양자상전이를 규명한다: 먼저 Weyl 노드의 상쇄로 인한 절연체 성질 증가, 그 다음 무거운 페르미온 금속상으로의 전이. 이 연구는 비열 제어인 자기장 조절이 강한 상관관계를 가진 위상적 상을 탐색하는 데 효과적임을 보여준다.

ABSTRACT

With the advent of topology in electronic materials the number of predicted quantum phases has literally exploded. Most of them, however, still await firm experimental identification. In strongly correlated electron systems, scanning their low-temperature phase diagrams by varying a nonthermal control parameter has been instrumental in delineating phases defined by a Landau order parameter. Here we show that this approach is versatile also for strongly correlated topological phases. We use Hall effect measurements to probe how the time reversal symmetry invariant Weyl-Kondo semimetal Ce$_3$Bi$_4$Pd$_3$ transforms under magnetic-field tuning. We detect an intriguing two-stage transition, which we associate with an annihilation of the Weyl nodes, making the system more insulating, and a consecutive transition to a heavy fermion metal phase. We expect our work to stimulate tuning studies in related systems, thereby advancing the much needed identification of organizing principles for strongly correlated electronic topology.

연구 동기 및 목표

• 자기장 조절 조건 하에서 시간역전대칭 불변 Weyl-Kondo 반도체 Ce₃Bi₄Pd₃의 저온 양자상도를 탐구하기.
• 비열 제어 매개변수를 통해 강한 상관관계를 가진 전자계에서 위상적 양자상이 어떻게 드러나는지 규명하기.
• Ce₃Bi₄Pd₃에서 관측된 상전이의 성격, 특히 위상적 및 전자적 변화의 순서를 명확히 하기.
• 장력 조절 실험을 통해 강한 상관관계를 가진 위상적 물질의 조직 원리 규명 틀을 수립하기.

제안 방법

• 다양한 자기장 조건에서 Ce₃Bi₄Pd₃의 전자적 반응을 탐색하기 위해 저온에서 헬 효과 측정 수행.
• 홀 저항도 분석을 통해 실현 전하 밀도 및 부호 변화를 감지하여 위상 전이 탐지.
• 시스템의 양자상 전이를 유도하기 위해 자기장을 비열 제어 매개변수로 활용.
• 홀 반응의 변화와 절연체 성질 변화를 통해 Weyl 노드 상쇄의 징후 식별.
• 실험적 홀 데이터를 Weyl 반도체 및 Kondo 금속에 대한 이론적 기대치와 비교.
• 전도도 이방성 및 저항도의 변화에 기반해 상경계 매핑.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장의 적용이 Weyl-Kondo 반도체 Ce₃Bi₄Pd₃의 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 자기장 조절 조건에서 관측된 Ce₃Bi₄Pd₃의 이중단계 양자상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 관측된 전이 순서가 Weyl 노드 상쇄 이후 무거운 페르미온 금속 상태로의 코어스터 전이와 일치하는가?
• RQ4 비열 조절인 자기장 조절이 강한 상관관계를 가진 위상적 상재료의 상도를 효과적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 위상적 양자물질에서 조직 원리를 규명하는 데 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 자기장 조절 조건에서 Ce₃Bi₄Pd₃에서 이중단계 양자상전이가 관측되며, 홀 반응과 저항도에 명백한 변화가 나타난다.
• 첫 번째 전이는 Weyl 노드 상쇄로 기인하며, 홀 신호의 부호 변화와 감소로 인해 더 강한 절연체 상태로 이어진다.
• 두 번째 전이는 무거운 페르미온 금속상의 출현을 나타내며, 유한한 홀 신호 복귀와 쿼라스파티클 산란 증가로 확인된다.
• 홀 효과 측정 결과는 위상적 반도체에서 위상적 비활성 절연체 상태로, 그리고 마침내 무거운 페르미 액체로의 명확한 변화가 나타남을 보여준다.
• 결과는 자기장 조절이 강한 상관관계를 가진 위상적 상재료의 양자상 탐색 및 식별에 실현 가능한 방법임을 입증한다.
• 본 연구는 Weyl 노드 상쇄가 Kondo 반도체에서 절연체 성질 증가와 무거운 페르미온 형성과 연결됨을 실험적으로 입증한다.