[论文解读] Anisotropic electrical and thermal magnetotransport in the magnetic semimetal GdPtBi

Clemens Schindler, Stanisław Gałeski+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本研究结合电学、热学及量子振荡测量与从头计算，探究磁性半金属 GdPtBi 中各向异性的电与热磁输运行为。研究发现，观测到的磁输运现象无法仅用外尔费米子物理解释，而主要由巡游载流子与局域 Gd 4f 磁矩之间的相互作用主导，可能还存在顺磁杂质的贡献。

ABSTRACT

The half-Heusler rare-earth intermetallic GdPtBi has recently gained attention due to peculiar magnetotransport phenomena that have been associated with the possible existence of Weyl fermions, thought to arise from the crossings of spin-split conduction and valence bands. On the other hand, similar magnetotransport phenomena observed in other rare-earth intermetallics have often been attributed to the interaction of itinerant carriers with localized magnetic moments stemming from the $4f$-shell of the rare-earth element. In order to address the origin of the magnetotransport phenomena in GdPtBi, we performed a comprehensive study of the magnetization, electrical and thermal magnetoresistivity on two single-crystalline GdPtBi samples. In addition, we performed an analysis of the Fermi surface via Shubnikov-de Haas oscillations in one of the samples and compared the results to \emph{ab initio} band structure calculations. Our findings indicate that the electrical and thermal magnetotransport in GdPtBi cannot be solely explained by Weyl physics and is strongly influenced by the interaction of both itinerant charge carriers and phonons with localized magnetic Gd-ions and possibly also paramagnetic impurities.

研究动机与目标

• 确定 GdPtBi 中异常磁输运的起源，特别是其是否源于外尔费米子物理或磁相互作用。
• 在局域 4f 电子引起的强电子关联效应背景下，评估单电子图像在 GdPtBi 中的有效性。
• 研究 Gd 4f 电子产生的局域磁矩及可能存在的顺磁杂质在电学与热学输运中的作用。
• 将从 Shubnikov–de Haas 振荡获得的实验费米面数据与从头算能带结构计算结果进行比较。
• 分离热磁阻率中电子与声子输运的贡献。

提出的方法

• 在两份单晶 GdPtBi 样品上，利用 Quantum Design PPMS 在 9 T 磁场下进行电学与热学磁阻测量。
• 采用四探针配置与锁相放大技术，在 77.77 Hz 频率与 1 mA 电流下进行电学输运测量。
• 通过稳态法测量热阻率，使用 RuO2 加热器、Cernox 温度计与优化热接触的 Cu 散热片。
• 进行 Shubnikov–de Haas 振荡测量，以提取费米面拓扑结构与有效质量。
• 利用广义梯度近似（GGA）与 Wannier 函数插值方法进行从头算能带结构计算。
• 分析磁化行为，以评估磁有序性与局域磁矩贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 GdPtBi 中观测到的负纵向磁阻是否源于外尔费米子的手性异常，或由其他机制引起？
• RQ2 局域 Gd 4f 磁矩与顺磁杂质在多大程度上影响 GdPtBi 中的电学与热学输运？
• RQ3 从量子振荡实验测定的费米面特性与从头算预测结果相比如何？
• RQ4 在磁场作用下，GdPtBi 中热输运的电子与声子通道相对贡献如何？
• RQ5 各向异性磁输运行为能否由单粒子模型解释，还是 4f 电子关联引起的多体效应至关重要？

主要发现

• GdPtBi 的电学与热学磁输运无法仅用外尔费米子物理解释，因为观测到的负磁阻与手性异常的预期不一致。
• Shubnikov–de Haas 振荡揭示了具有多个费米口袋的费米面，与从头算计算结果一致，但其有效质量显著高于非相互作用预测值。
• 磁化测量显示 Gd 4f 磁矩在约 2.5 K 以下呈现反铁磁有序，表明存在强局域磁矩，可能显著散射巡游载流子。
• 热阻率表现出强烈的磁场依赖性，与声子主导行为不一致，表明存在显著的电子贡献，但无法用手性异常解释。
• 通过 EDXS 与 SEM 确认存在 Bi-熔融物夹杂与残余顺磁杂质，可能引起非均匀散射与异常输运。
• 综合数据表明，巡游载流子与局域 Gd 4f 磁矩之间的相互作用——可能因杂质而增强——是导致观测到的磁输运现象的主导机制。