[论文解读] Itinerant spin ice order, Weyl metal, and anomalous Hall effect in Pr$_2$Ir$_2$O$_7$

Pallab Goswami, Bitan Roy+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

该论文提出，Pr₂Ir₂O₇在抛物能带半导体中由于自旋冰序与全内全外自旋序的竞争，表现出低温巡游态3-in, 1-out自旋冰序。该序诱导出一个具有两个外尔节点的外尔金属相，沿[1,1,1]方向产生大的反常霍尔效应，且不具有净磁矩；通过应变调控T₂g四极序可增强该效应，从而提高转变温度。

ABSTRACT

In the global phase diagram of 227 pyrochlore iridates, Pr$_2$Ir$_2$O$_7$ resides in the proximity of a metal-insulator transition, supporting an anomalous Hall effect below 1.5 K, and the normal state of this material is described by a parabolic semimetal with quadratic band touching at the $\Gamma$ point. For such a parabolic semimetal which is believed to be the parent state of many 227 pyrochlore iridate compounds, we demonstrate a strong competition between the ice and all in-all out orders, and based on a Landau theory we construct possible global phase diagrams for this class of materials. When ice order has the dominant susceptibility, we show that the low temperature phase displays an itinerant 3-in, 1-out order. For a generic model of particle-hole anisotropic parabolic semimetal, the 3-in, 1-out order is an admixture of both ice and all in-all out spin configurations on Ir tetrahedron. The 3-in, 1-out order gives rise to a Weyl metal with two Weyl nodes along one of the eight possible [1,1,1] directions supporting a large anomalous Hall effect without any appreciable magnetic moment for Ir$^{4+}$ and Pr$^{3+}$ ions, as observed in Pr$_2$Ir$_2$O$_7$ at low temperatures. The anomalous Hall conductivity inside the 3-in, 1-out ordered phase varies as square root of the magnetization. Inside the metallic 3-in, 1-out phase, the ice and all in-all out components couple to the fluctuating $T_{2g}$ quadrupolar order parameter, leading to a small nematicity. Since an externally applied strain along [1,1,1] direction induces a static $T_{2g}$ quadrupolar order, we show how it can amplify the 3-in, 1-out order, raising the possibility of observing anomalous Hall effect at higher temperatures.

研究动机与目标

• 理解Pr₂Ir₂O₇在1.5 K以下反常霍尔效应的起源，尽管其净磁矩为零。
• 阐明Pr₂Ir₂O₇低温有序相的本质，特别是其自旋构型与电子结构。
• 基于自旋冰序与全内全外自旋序的竞争，构建227型钙钛矿型铱酸盐的全局相图。
• 探究沿[1,1,1]方向的应变如何稳定3-in, 1-out序并增强反常霍尔效应。

提出的方法

• 建立自旋序的朗道理论，以模拟抛物能带半导体母相中自旋冰序与全内全外构型的竞争。
• 采用通用的粒子-空穴各向异性抛物能带半导体模型，描述Γ点附近的电子结构，其具有二次能带接触。
• 将3-in, 1-out序识别为自旋冰序与全内全外自旋构型在Ir四面体上的量子混杂态。
• 通过计算[1,1,1]方向上的外尔节点位置与手征电荷，分析涌现的外尔费米子拓扑结构。
• 建立自旋冰序与全内全外组分与涨落T₂g四极序参数的耦合模型，以解释各向异性和应变响应。
• 施加沿[1,1,1]方向的外部应变，诱导静态T₂g四极序，并预测其对3-in, 1-out序的增强作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，尽管净磁矩为零，Pr₂Ir₂O₇中反常霍尔效应的微观起源是什么？
• RQ2 在抛物能带半导体中，3-in, 1-out自旋序如何通过自旋冰序与全内全外自旋构型的竞争而产生？
• RQ3 低温相的拓扑性质是什么？该态中如何产生外尔节点？
• RQ4 与T₂g四极序参数的耦合如何导致金属态3-in, 1-out相中的微小各向异性？
• RQ5 通过调控T₂g四极序的应变是否能增强3-in, 1-out序，并提高反常霍尔效应的温度尺度？

主要发现

• Pr₂Ir₂O₇的低温相是一种巡游态3-in, 1-out自旋冰序，为Ir四面体上自旋冰序与全内全外自旋构型的量子混杂态。
• 该3-in, 1-out序实现了一个外尔金属相，其在八个[1,1,1]方向之一上具有两个外尔节点，从而实现大的反常霍尔效应。
• 反常霍尔电导率与磁化强度的平方根成正比，与实验观测一致。
• 自旋冰序与全内全外组分与涨落T₂g四极序参数耦合，导致3-in, 1-out相中出现微小的各向异性畸变。
• 沿[1,1,1]方向施加外部应变可诱导静态T₂g四极序，该序增强3-in, 1-out序，从而可能使反常霍尔效应在更高温度下被观测到。