[論文レビュー] Incommensurate magnetism mediated by Weyl fermions in NdAlSi

Jonathan Gaudet, Hung‐Yu Yang+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、反転対称性および時間反転対称性が破れている NdAlSi が、トポロジカルに非自明なフェルミポケット間のネストに起因する長波長の磁気秩序と関連した不整合磁性を示すウェイリ半金属であることを特定した。中性子回折および量子揺らぎ測定により、ウェイリフェルミオンが駆動する長波長の磁気秩序が実験的に裏付けられた。主な貢献は、反転対称性および時間反転対称性が破れている材料において、ウェイリフェルミオンが集団的磁性秩序を媒介することを初めて実験的に示したことである。

ABSTRACT

Emergent relativistic quasiparticles in Weyl semimetals are the source of exotic electronic properties such as surface Fermi arcs, the anomalous Hall effect, and negative magnetoresistance, all observed in real materials. Whereas these phenomena highlight the effect of Weyl fermions on the electronic transport properties, less is known about what collective phenomena they may support. Here, we report a new Weyl semimetal, NdAlSi that offers an example. Using neutron diffraction, we report a long-wavelength magnetic order in NdAlSi whose periodicity is linked to the nesting vector between two topologically non-trivial Fermi pockets, which we characterize using density functional theory and quantum oscillation measurements. Our work provides a rare example of Weyl fermions driving collective magnetism.

研究の動機と目的

• 反転対称性および時間反転対称性が破れている新しいウェイリ半金属、NdAlSi を特定・特徴づけること。
• ウェイリ系におけるトポロジカルな電子状態と出現する集団的磁気現象の相乗作用を調査すること。
• NdAlSi における長波長の不整合磁性秩序の起源とフェルミ面トポロジーとの関連を特定すること。
• ウェイリフェルミオンが集団的磁性を媒介できるかどうかを立証すること、すなわち、輸送現象を超えた役割を果たすかどうかを検証すること。

提案手法

• 空間群 I4₁md に属する NdAlSi の核および磁気構造を精査するため、100 K での単結晶中性子回折。
• BT-7、MACS、SPINS 分光計を用いた三重軸中性子散乱により、磁気秩序パラメータおよびブラッグピークの磁場依存性をマッピング。
• 300 mK で 35 T のバッター磁石を用いた抵抗率の量子揺らぎ測定により、フェルミ面トポロジーを調べること。
• PBE+U およびスピン軌道結合を用いた密度汎関数理論 (DFT) を用いて、バンド構造、ウェイリノードの位置、フェルミ面ネストベクトルを計算。
• 1500/750 nm での二次高調波生成 (SHG) 測定により、非中心対称構造および空間群 C₄ᵥ の確認。
• 比熱および磁化率測定により、磁気転移およびスピン軌道基底状態の分裂を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイリ半金属内のウェイリフェルミオンは、輸送特性に影響を与えるだけでなく、集団的磁性秩序を媒介できるか？
• RQ2 NdAlSi で観察された不整合磁性秩序の起源は何か？ そして、フェルミ面トポロジーとどのように関連しているか？
• RQ3 NdAlSi のウェイリノードおよびフェルミ面ネストベクトルは、磁気基底状態にどのように影響を与えるか？
• RQ4 NdAlSi におけるスピン軌道結合および対称性の破れが、トポロジカルおよび磁気秩序をどれほど安定化させるか？
• RQ5 3.3 K での磁気転移はフェリ磁性秩序と整合するか？ また、7.2 K での不整合転移とはどのように関係しているか？

主な発見

• 中性子回折により、NdAlSi が非中心対称空間群 I4₁md に結晶化していることが確認された（χ² = 5.70）、Si-Al 立方格子位置の混合は 9% に限定される。
• T_inc = 7.2(1) K で長波長の不整合磁性秩序が観察され、その波数ベクトルがトポロジカルに非自明なフェルミポケット間のネストベクトルと一致した。
• T_com = 3.3(1) K で第二の転移が観察され、これは整合的フェリ磁性秩序に対応し、1.8 K での磁化率比 χ_c/χ_a > 80 によりイジング的異方性が示された。
• 量子揺らぎ測定および DFT 計算により、ウェイリフェルミオンおよびフェルミ面ネストの存在が確認され、不整合波数ベクトルが異なるウェイリノードを含むフェルミ面シートを接続していることが示された。
• 磁気比熱は、2.35 K から 300 K の間で ΔS = 0.96(2) × R ln(10) の全エントロピー解放を示し、Nd³⁺ の 10 倍の J = 9/2 基底状態と整合的であった。
• スピン軌道結合および U = 6 eV を用いた DFT により、ウェイリノードが予測され、フェルミ面のトポロジカル性が確認され、ウェイリ媒介磁性のメカニズムを支持した。