[论文解读] Incommensurate magnetism mediated by Weyl fermions in NdAlSi

Jonathan Gaudet, Hung‐Yu Yang+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用 7

一句话总结

本研究识别出NdAlSi是一种外尔半金属，其具有由外尔费米子驱动的非公度磁性，中子衍射与量子振荡测量揭示了长波长磁序，该磁序与拓扑非平庸费米口袋之间的嵌套有关。关键贡献在于首次提供了实验证据，证明外尔费米子可在同时破缺反演对称性与时间反演对称性的材料中介导集体磁序。

ABSTRACT

Emergent relativistic quasiparticles in Weyl semimetals are the source of exotic electronic properties such as surface Fermi arcs, the anomalous Hall effect, and negative magnetoresistance, all observed in real materials. Whereas these phenomena highlight the effect of Weyl fermions on the electronic transport properties, less is known about what collective phenomena they may support. Here, we report a new Weyl semimetal, NdAlSi that offers an example. Using neutron diffraction, we report a long-wavelength magnetic order in NdAlSi whose periodicity is linked to the nesting vector between two topologically non-trivial Fermi pockets, which we characterize using density functional theory and quantum oscillation measurements. Our work provides a rare example of Weyl fermions driving collective magnetism.

研究动机与目标

• 识别并表征一种新发现的外尔半金属NdAlSi，其同时破缺反演对称性与时间反演对称性。
• 研究外尔系统中拓扑电子态与涌现集体磁现象之间的相互作用。
• 确定NdAlSi中长波长非公度磁序的起源及其与费米面拓扑结构的关联。
• 确定外尔费米子是否能够介导集体磁性，从而将其作用从输运现象扩展至磁序形成。

提出的方法

• 在100 K下利用单晶中子衍射测定NdAlSi在空间群I4₁md中的核结构与磁结构。
• 在BT-7、MACS与SPINS谱仪上进行三轴中子散射，以测绘磁序参量及布拉格峰的磁场依赖性。
• 在300 mK下于35 T的Bitter磁体中进行电阻率的量子振荡测量，以探测费米面拓扑结构。
• 采用密度泛函理论（DFT）结合PBE+U与自旋轨道耦合，计算能带结构、外尔节点位置及费米面嵌套矢量。
• 在1500/750 nm波长下进行二次谐波生成（SHG）测量，以确认非中心对称结构及空间群C₄ᵥ。
• 进行比热与磁化率测量，以识别磁相变及自旋-轨道基态能级分裂。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔半金属中的外尔费米子是否能够介导集体磁序，而不仅仅是影响输运性质？
• RQ2 在NdAlSi中观测到的非公度磁序的起源是什么？其与费米面拓扑结构有何关联？
• RQ3 NdAlSi中外尔节点与费米面嵌套矢量如何影响磁基态？
• RQ4 自旋轨道耦合与对称性破缺在多大程度上稳定了NdAlSi中的拓扑与磁序？
• RQ5 在T_com = 3.3 K处的磁相变是否与亚铁磁序一致？其与在T_inc = 7.2 K处的非公度相变有何关系？

主要发现

• 中子衍射证实NdAlSi结晶于非中心对称的I4₁md空间群（χ² = 5.70），Si-Al位点混合度限制在9%以内。
• 在T_inc = 7.2(1) K时观测到长波长非公度磁序，其波矢量与拓扑非平庸费米口袋之间的嵌套矢量相匹配。
• 在T_com = 3.3(1) K处出现第二相变，对应于公度亚铁磁序，1.8 K时磁化率比值χ_c/χ_a > 80，表明具有伊辛型各向异性。
• 量子振荡测量与DFT计算证实存在外尔费米子与费米面嵌套，非公度波矢量连接了包含外尔节点的费米面片。
• 磁比热显示在2.35 K至300 K之间熵变ΔS = 0.96(2) × R ln(10)，与Nd³⁺的10重简并基态（J = 9/2）一致。
• 采用自旋轨道耦合与U = 6 eV的DFT计算预测出外尔节点，并证实费米面具有拓扑特性，支持外尔费米子介导磁性的机制。