[论文解读] A magnetic Weyl semimetallic phase in thin films of Eu$_2$Ir$_2$O$_7$

Xiaoran Liu, Shiang Fang+18 more|PubMed|Jun 8, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究首次在高质量(111)取向外延薄膜的Eu₂Ir₂O₇中实现了磁性外尔半金属相的实验实现。在薄膜表面破坏立方对称性所驱动的、净磁化强度为零的极大内在反常霍尔效应的出现，为费米能级附近存在外尔节点提供了直接证据，证实了该体系中时间反演对称性被全-in全-out反铁磁序自发破缺时的拓扑性质。

ABSTRACT

The interplay between electronic interactions and strong spin-orbit coupling is expected to create a plethora of fascinating correlated topological states of quantum matter. Of particular interest are magnetic Weyl semimetals originally proposed in the pyrochlore iridates, which are only expected to reveal their topological nature in thin film form. To date, however, direct experimental demonstrations of these exotic phases remain elusive, due to the lack of usable single crystals and the insufficient quality of available films. Here, we report on the discovery of signatures for the long-sought magnetic Weyl semimetallic phase in (111)-oriented Eu_{2}Ir_{2}O_{7} high-quality epitaxial thin films. We observed an intrinsic anomalous Hall effect with colossal coercivity but vanishing net magnetization, which emerges right below the onset of a peculiar magnetic phase with all-in-all-out (AIAO) antiferromagnetic ordering. The anomalous Hall conductivity obtained experimentally is consistent with the theoretical prediction, likely arising from the nonzero Berry curvature emanated by Weyl node pairs near the Fermi level that act as sources and sinks of Berry flux, activated by broken cubic crystal symmetry at the top and bottom terminations of the thin film.

研究动机与目标

• 在强自旋-轨道耦合和电子关联作用下，预测可呈现拓扑态的尖晶石型铱酸盐中，识别并实现磁性外尔半金属相。
• 克服长期以来由于晶体质量差和缺乏对称性破缺，导致在体材料中难以观测外尔半金属性的长期挑战。
• 确立Eu₂Ir₂O₇薄膜可承载具有非平凡贝里曲率的拓扑态，其证据为量化反常霍尔效应。
• 将观测到的反常霍尔响应与费米能级附近外尔节点对的出现联系起来，这些节点由表面诱导的对称性破缺所激活。
• 证明尽管不存在净磁化强度，外尔半金属相仍可在薄膜中出现，这是表面终止与破缺反演对称性相互作用的结果。

提出的方法

• 利用脉冲激光沉积法在氧化钇稳定氧化锆（YSZ）衬底上生长高质量(111)取向外延的Eu₂Ir₂O₇薄膜。
• 使用X射线衍射（XRD）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）确认外延取向和结构质量。
• 在不同磁场和温度下测量输运性质，包括反常霍尔效应（AHE），以探测非平凡贝里曲率效应。
• 对具有不同厚度（Lz最大达61层）的 slab 模型进行从头算密度泛函理论（DFT）+U 计算，以模拟电子能带结构和反常霍尔电导率。
• 计算动量空间分辨的谱函数和局域陈数标记，以分解体态和表面费米弧态对霍尔电导的贡献。
• 分析贝里曲率分布及其空间局域化，以识别表面处外尔节点投影的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体材料中难以呈现清晰拓扑特征的Eu₂Ir₂O₇薄膜中，能否实验实现磁性外尔半金属相？
• RQ2 在净磁化强度为零的情况下，观测到的内在反常霍尔效应的起源是什么？
• RQ3 表面终止（kagome平面与三角形Ir平面）如何破坏立方对称性并诱导非零反常霍尔电导？
• RQ4 反常霍尔电导随薄膜厚度如何变化？在极薄薄膜极限下是否仍保持有限？
• RQ5 体态与拓扑保护的费米弧表面态对总霍尔响应的相对贡献如何？

主要发现

• 在(111)取向的Eu₂Ir₂O₇薄膜中，尽管净磁化强度为零，但在全-in全-out反铁磁转变温度以下，观察到超过1 T的矫顽力的极大内在反常霍尔效应。
• 反常霍尔电导在11至61个原子层的薄膜厚度范围内几乎保持恒定，表明其具有厚度无关的鲁棒响应，与外尔节点的贡献一致。
• 理论模拟证实，反常霍尔响应主要源于费米能级附近外尔节点对的非零贝里曲率，这些节点由表面诱导的立方对称性破缺所激活。
• 局域陈数标记分析显示存在两种贡献：一种主要来自体态类量子阱态，另一种为次要但显著的表面费米弧态贡献，后者在动量空间中紧密束缚且局域于表面。
• 观测到的输运行为排除了反铁磁相或金属相的可能性，证实基态为外尔半金属相，表现为绝缘相中AHC的抑制和外尔半金属相中AHC的增强。
• 该体系表现出与动量空间中外尔节点对间距成正比的非量化反常霍尔电导，与磁性外尔半金属的理论预测一致。