[论文解读] Colossal anomalous Nernst effect in a correlated noncentrosymmetric kagome ferromagnet

Asaba, T., Ivanov, V.+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 131

一句话总结

本研究报道了在铁磁kagome金属UCo0.8Ru0.2Al中观测到23 µV/K的巨量反常Nernst效应（ANE），其源于铀5f电子中强烈的电子关联与自旋轨道耦合。该效应源于费米能级附近至少148个外尔节点和节点线的密集网络，产生极端的贝里曲率，使横向热电响应远超传统材料。

ABSTRACT

Analogous to the Hall effect, the Nernst effect is the generation of a transverse voltage due to a temperature gradient in the presence of a perpendicular magnetic field. The Nernst effect has promise for thermoelectric applications and as a probe of electronic structure. In magnetic materials, a so-called anomalous Nernst effect (ANE) is possible in zero magnetic field. Here we report a colossal ANE reaching 23 $\mu$V/K in the ferromagnetic metal UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. Uranium's $5f$ electrons provide strong electronic correlations that lead to narrow bands, which are a known route to producing a large thermoelectric response. Additionally, the large nuclear charge of uranium generates strong spin-orbit coupling, which produces an intrinsic transverse response in this material due to the Berry curvature associated with the relativistic electronic structure. Theoretical calculations show that at least 148 Weyl nodes and two nodal lines exist within $\pm$ 60 meV of the Fermi level in UCo$_{0.8}$Ru$_{0.2}$Al. This work demonstrates that magnetic actinide materials can host strong Nernst and Hall responses due to their combined correlated and topological nature.

研究动机与目标

• 探索具有增强反常Nernst效应（ANE）的材料以用于热电应用。
• 识别同时具备强电子关联、大自旋轨道耦合及拓扑能带结构的体系，以最大化贝里曲率的贡献。
• 研究kagome晶格对称性与非中心对称性在承载外尔节点和节点线中的作用。
• 证明锕系元素基相关铁磁体可表现出巨大的ANE响应。
• 建立量子临界外尔节点与极端横向热电响应之间的关联。

提出的方法

• 采用包含自旋轨道耦合的第一性原理电子结构计算，绘制UCo0.8Ru0.2Al中的贝里曲率与外尔节点分布。
• 测量纵向电阻率ρxx与塞贝克系数Sxx，以识别铁磁相变温度T_C = 56 K。
• 利用Mott公式通过电导率与热电功率张量将反常Nernst系数与贝里曲率关联。
• 通过布里渊区上贝里曲率的积分，对反常霍尔电导率（AHC）进行理论建模。
• 采用考虑5f电子关联的自旋极化密度泛函理论（DFT）加Hubbard U修正方法分析电子结构。
• 通过群论与能带结构分析识别拓扑特征，如外尔节点与节点线。

实验结果

研究问题

• RQ1 关联的非中心对称kagome铁磁体是否可承载巨大的反常Nernst效应？
• RQ2 外尔节点与节点线在增强贝里曲率与横向热电响应中起何种作用？
• RQ3 铀5f电子中的强电子关联与大自旋轨道耦合如何放大反常Nernst效应？
• RQ4 在UCo0.8Ru0.2Al中观测到的ANE是否主要为本征效应，且由贝里曲率驱动？
• RQ5 费米能级附近存在大量外尔节点（≥148个）是否可解释创纪录的ANE值？

主要发现

• 在UCo0.8Ru0.2Al中，反常Nernst效应达到23 µV/K，为迄今报道的任何材料中最大值。
• 理论计算表明，在费米能级±60 meV范围内存在至少148个外尔节点与两个节点线，表明具有高度非平庸的拓扑电子结构。
• 由贝里曲率贡献的反常霍尔电导率计算值约为2,000 Ω⁻¹cm⁻¹，证实存在强烈的本征贡献。
• 巨大的ANE可归因于强5f电子关联、大自旋轨道耦合与kagome晶格几何结构的协同作用，共同增强了贝里曲率。
• 铁磁相变温度T_C = 56 K处，ρxx与Sxx均出现拐点，表明电子散射与热电功率发生改变。
• 该体系表现出中等程度的无序金属态，剩余电阻率为105 µΩcm，纵向电导率约为9,500 Ω⁻¹cm⁻¹。