[论文解读] Berry curvature generation detected by Nernst responses in ferroelectric Weyl semimetal

Cheng-Long Zhang, Tian Liang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 48被引用 23

一句话总结

本研究在铟掺杂的Pb1−xSnxTe中实现了一种铁电性非磁性外尔半金属，其中通过In掺杂和Sn/Pb比例调控的可调铁电性破坏了反演对称性，并产生可调的外尔节点。通过角度依赖的能斯特效应测量，研究人员检测到由磁场引起的外尔节点重分布所引发的贝里曲率生成，从而建立了一个无需外加磁场的清洁、高度可调的拓扑费米子调控平台。

ABSTRACT

The quest for nonmagnetic Weyl semimetals with high tunability of phase has remained a demanding challenge. As the symmetry breaking control parameter, the ferroelectric order can be steered to turn on/off the Weyl semimetals phase, adjust the band structures around the Fermi level, and enlarge/shrink the momentum separation of Weyl nodes which generate the Berry curvature as the emergent magnetic field. Here, we report the realization of a ferroelectric nonmagnetic Weyl semimetal based on indium doped Pb1 xSnxTe alloy where the underlying inversion symmetry as well as mirror symmetry is broken with the strength of ferroelectricity adjustable via tuning indium doping level and Sn/Pb ratio. The transverse thermoelectric effect, i.e., Nernst effect both for out of plane and in plane magnetic field geometry, is exploited as a Berry curvature sensitive experimental probe to manifest the generation of Berry curvature via the redistribution of Weyl nodes under magnetic fields. The results demonstrate a clean non-magnetic Weyl semimetal coupled with highly tunable ferroelectric order, providing an ideal platform for manipulating the Weyl fermions in nonmagnetic system.

研究动机与目标

• 通过铁电序实现高可调性的非磁性外尔半金属相。
• 证明Pb1−xSnxTe中的铁电性可破坏反演对称性并生成外尔节点。
• 利用能斯特效应作为对贝里曲率敏感的探测手段，检测磁场诱导的外尔节点重分布。
• 建立一个无需外加磁场即可操控外尔费米子的清洁、可调系统。
• 确认[001]取向畸变和镜像对称性破缺在生成有限贝里曲率中的作用。

提出的方法

• 采用布里奇曼-斯托克巴格方法生长了Sn/Pb比例和掺杂水平受控的In掺杂Pb1−xSnxTe单晶。
• 在配备样品旋转装置的PPMS中，采用四探针方法进行电输运和热电输运测量，以实现角度依赖性。
• 搭建了用于测量横向热电响应的原位垂直能斯特装置，包含一个加热器和两个温度计。
• 在ab面法向入射条件下进行二次谐波生成（SHG）测量，以探测面内极性畸变并确认[001]极化方向。
• 采用基于PBE泛函的第一性原理DFT计算与紧束缚模型，映射电子结构及极性畸变下的外尔节点演化。
• 通过角度依赖的能斯特测量，利用磁场取向破坏垂直于a轴和b轴的镜像对称性，以分离出贝里曲率贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pb1−xSnxTe中的铁电性是否能诱导出可调的非磁性外尔半金属相？
• RQ2 外加磁场如何重新分布外尔节点并在此体系中生成贝里曲率？
• RQ3 在无传统德鲁德贡献的情况下，能斯特效应能否作为贝里曲率的选择性探测手段？
• RQ4 通过极化和磁场取向实现的镜像对称性破缺在生成有限贝里曲率中起什么作用？
• RQ5 通过调节In掺杂量和Sn/Pb比例，如何控制外尔节点间距和拓扑能带结构？

主要发现

• 在In掺杂的Pb1−xSnxTe中实现了铁电外尔半金属相，其在费米能级附近的能带结构清晰，经输运测量和能带结构计算共同证实。
• 能斯特效应表现出强烈的角度依赖性，当磁场取向破坏垂直于a轴和b轴的两个镜像平面时，响应达到最大值。
• 由于能斯特响应中不存在德鲁德项，外加磁场下因外尔节点重分布而生成了有限的贝里曲率。
• 二次谐波生成测量证实了主导的[001]极性畸变，破坏了生成贝里曲率所必需的镜像对称性。
• 通过调节In掺杂量和Sn/Pb比例，该体系表现出可调的外尔节点间距及在绝缘体（NI）、外尔半金属（WSM）和拓扑晶体绝缘体（TCI）之间的相变。
• 由于在垂直和面内磁场构型下德鲁德项均被抑制，观测到的能斯特响应完全归因于贝里曲率，而非传统输运过程。