[论文解读] Dirac fermions in the heavy-fermion superconductors Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$

Kent Shirer, Yan Sun+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出，Ce(Co,Rh,Ir)In₅重费米子超导体在费米能级附近存在分立的节点处存在狄拉克费米子，其源自In-5s和In-4p_z轨道，导致拓扑半金属行为。理论与实验证据表明，在强磁场下，这些狄拉克节点会引发拓扑的利夫希茨相变，解释了在所有三种化合物中尽管零场基态不同，但高场下量子振荡和电阻率跃迁行为相似的现象，提示其在非传统拓扑超导性中可能发挥关键作用。

ABSTRACT

The Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ family of ``Ce-115'' materials hosts an abundance of correlated electron behavior, including heavy-fermion physics, magnetism, superconductivity and nematicity. The complicated behavior of these entangled phenomena leads to a variety of exotic physical properties, which, despite the seemingly simple crystal structure of these compounds, remain poorly understood. It is generally accepted that the interplay between the itinerant and local character of Ce-$4f$ electrons is the key to their exotic behavior. Here, we report theoretical evidence that the Ce-115 materials are also topological semi-metals, with Dirac fermions around well-separated nodes. Dirac nodes in each compound are present on the $Γ-Z$ plane close to the Fermi level. As the Dirac bands are derived from In-orbitals, they occur in all family members irrespective of the transition metal (Co,Rh,Ir). We present the expected Fermi-arc surface state patterns and show the close proximity of a topological Lifshitz transition, which possibly explains the high field physics of Ce-115 materials. Experimentally, we highlight the surprising similarity of Ce(Co,Rh,Ir)In$_5$ in high magnetic fields, despite the distinctly different states of the Ce-$4f$ electrons. These results raise questions about the role Dirac fermions play in exotic transport behavior, and we propose this class of materials as a prime candidate for unconventional topological superconductivity.

研究动机与目标

• 研究尽管存在复杂的关联电子行为，Ce(Co,Rh,Ir)In₅的拓扑电子结构。
• 确定这些重费米子体系中是否存在狄拉克费米子及其如何影响奇异量子现象。
• 解释CeCoIn₅、CeRhIn₅和CeIrIn₅在高场下电阻率和量子振荡行为惊人相似的原因，尽管其零场基态各不相同。
• 探讨狄拉克费米子在强关联体系中促进拓扑超导性和向列相变的作用。

提出的方法

• 通过第一性原理能带计算识别Ce-115化合物（包括La-115作为参考）中的狄拉克节点。
• 分析费米能级附近能带的轨道特征，确定In-5s和In-4p_z态是狄拉克交叉的起源。
• 模拟拓扑半金属行为所预期的费米弧表面态图案。
• 通过磁场诱导的费米面拓扑结构重构，评估拓扑利夫希茨相变的接近程度。
• 将理论预测与高场输运测量（包括电阻率和量子振荡）相关联。
• 利用对称性和能带拓扑论据，将狄拉克节点与观测到的向列相变和超导相变联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强电子关联和重费米子行为，Ce(Co,Rh,Ir)In₅中是否存在狄拉克费米子？
• RQ2 CeCoIn₅、CeRhIn₅和CeIrIn₅中高场量子振荡频率相同且电阻率出现不连续的根源是什么？
• RQ3 高磁场下发生的拓扑利夫希茨相变是否能解释观测到的电阻率突跃和巨大量子振荡？
• RQ4 狄拉克费米子如何影响这些材料中非传统超导性和向列序的出现？
• RQ5 狄拉克费米子的手性是否能解释CeRhIn₅中观测到的宏观手性磁序？

主要发现

• 所有Ce(Co,Rh,Ir)In₅化合物在费米能级附近的Γ–Z平面上均存在狄拉克节点，其源自In-5s和In-4p_z轨道。
• 由于相同的轨道起源，狄拉克能带在所有家族成员中均保持稳定，无论过渡金属为Co、Rh或Ir。
• 预测在强磁场下会发生拓扑利夫希茨相变，此时狄拉克口袋将从费米面脱离。
• 该相变可解释在约28 T磁场下CeRhIn₅和CeIrIn₅中观测到的巨大量子振荡和电阻率突跃。
• 尽管零场基态各不相同，但CeCoIn₅、CeRhIn₅和CeIrIn₅的高场行为具有一致性，这是由于其共同的拓扑电子结构。
• 狄拉克节点可能通过在费米面上赋予准粒子手性，从而稳定CeRhIn₅中的宏观手性磁序。