[論文レビュー] Magnetic semimetals and quantized anomalous Hall effect in EuB6

Simin Nie, Sun, Yan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、磁化モーメントの方向を調整することで、軟鉄磁性材料であるEuB6が、ノードライン、ワイル、およびノードライン／ワイルの共存する複数のトポロジカル半金属相を示すと予測している。[111]方向の量子井戸において、大きなチルン数を示す量子異常ホール効果が実現され、スピントロニクスおよびトポロジカル量子デバイスへの応用が可能である可能性を示している。

ABSTRACT

Exploration of the novel relationship between magnetic order and topological semimetals has received enormous interest in a wide range of both fundamental and applied research. Here we predict that soft ferromagnetic (FM) material EuB6 can achieve multiple topological semimetal phases by simply tuning the direction of the magnetic moment. Explicitly, EuB6 is a topological nodal-line semimetal when the moment is aligned along the [001] direction, and it evolves into a Weyl semimetal with three pairs of Weyl nodes by rotating the moment to the [111] direction. Interestingly, we identify a novel semimetal phase featuring the coexistence of a nodal line and Weyl nodes with the moment in the [110] direction. Topological surface states and anomalous Hall conductivity, which is sensitive to the magnetic order, have been computed and are expected to be experimentally observable. Large-Chern-number quantum anomalous Hall effect can be realized in its [111]-oriented quantum-well structure.

研究の動機と目的

• 軟鉄磁性材料における磁気秩序とトポロジカル半金属の相乗的相互作用を調査すること。
• EuB6における磁化モーメントの方向が、どのように異なるトポロジカル相を誘導するかを調査すること。
• 実験的に観測可能なトポロジカル表面状態および異常ホール電導度を予測すること。
• [111]方向のEuB6量子井戸において、大きなチルン数を示す量子異常ホール効果が実現可能かどうかを示すこと。

提案手法

• 磁化モーメントの方向を変化させた場合の電子構造を解析するために、第一原理計算および有効k·pモデルを用いた。
• [111]方向に沿った量子井戸構造におけるチルン数を計算するためにウィルソンループ法を用いた。
• 磁気的およびトポロジカル性質をモデル化するために、スピン極性化密度汎関数理論（DFT）にスピン軌道結合を組み込んだ。
• [001]から[111]および[110]方向へ磁化モーメントを回転させた際のワイルノードおよびチルン数の変化を追跡した。
• トポロジカル応答を調査するために、磁気秩序を関数として異常ホール電導度（AHC）を計算した。
• トポロジカル不変量の分類のため、対称性解析およびパリティ固有値計算を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuB6における磁化モーメントの方向が、異なるトポロジカル半金属相を誘導できるか？
• RQ2 磁化モーメントが[001]、[111]、および[110]方向に整列した場合に、どのようなトポロジカル相が出現するか？
• RQ3 異常ホール電導度は磁気秩序およびトポロジカル不変量にどのように依存するか？
• RQ4 [111]方向のEuB6量子井戸において、大きなチルン数を示す量子異常ホール状態を実現できるか？
• RQ5 スピン軌道結合およびバンド反転は、ノードラインおよびワイル半金属相の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 磁化モーメントが[001]方向に整列している場合、EuB6はトポロジカルノードライン半金属であると予測されている。
• モーメントを[111]方向に回転させると、EuB6は3組のワイルノードを有するワイル半金属に変化する。
• モーメントが[110]方向に整列している場合、ノードラインとワイルノードが共存する新しい相が同定された。
• 異常ホール電導度は磁気秩序に強く依存しており、[111]量子井戸構造では量子化されたプラトーを示す。
• [111]方向の量子井戸において、厚さd = 30 Åおよび60 Åのとき、合計チルン数はそれぞれ3および6である。
• FM2相におけるワイルノードは、特定のパラメータ条件下で複数のノードに分裂し、(111)面のチルン数は連続するワイルノード通過に伴い±3、±6、−6、および+3の変化を示す。