[论文解读] Magnetic and noncentrosymmetric Weyl fermion semimetals in the RAlX family of compounds (R=rare earth, Al=aluminium, X=Si, Ge)

Guoqing Chang, Bahadur Singh+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本文識別出RAlX（R = 稀土元素，X = Si, Ge）化合物家族作為一個多功能平台，可透過可調控的磁有序與電子能帶拓撲結構，實現所有類型的拓撲外殼威爾 fermion——τ-破缺、σ-破缺、I型與II型。透過選擇不同的稀土元素，材料可呈現鐵磁性、非磁性或反鐵磁性，進而系統性地探索輸運、譜學與器件應用中的多種拓撲現象。

ABSTRACT

Weyl semimetals are novel topological conductors that host Weyl fermions as emergent quasiparticles. While the Weyl fermions in high-energy physics are strictly defined as the massless solution of the Dirac equation and uniquely fixed by Lorentz symmetry, there is no such constraint for a topological metal in general. Specifically, the Weyl quasiparticles can arise by breaking either the space-inversion ($\mathcal{I}$) or time-reversal ($\mathcal{T}$) symmetry. They can either respect Lorentz symmetry (type-I) or strongly violate it (type-II). To date, different types of Weyl fermions have been predicted to occur only in different classes of materials. In this paper, we present a significant materials breakthrough by identifying a large class of Weyl materials in the RAlX (R=Rare earth, Al, X=Ge, Si) family that can realize all different types of emergent Weyl fermions ($\mathcal{I}$-breaking, $\mathcal{T}$-breaking, type-I or type-II), depending on a suitable choice of the rare earth elements. Specifically, RAlX can be ferromagnetic, nonmagnetic or antiferromagnetic and the electronic band topology and topological nature of the Weyl fermions can be tuned. The unparalleled tunability and the large number of compounds make the RAlX family of compounds a unique Weyl semimetal class for exploring the wide-ranging topological phenomena associated with different types of emergent Weyl fermions in transport, spectroscopic and device-based experiments.

研究动机与目标

• 識別出可容納所有類型拓撲外殼威爾 fermion 的單一材料家族。
• 解決單一體系中缺乏支撐多種威爾 fermion 的材料之問題。
• 透過控制稀土元素，實現電子能帶拓撲結構的可調控性。
• 提供一個實驗探測輸運、譜學與器件應用中多樣拓撲現象的平台。

提出的方法

• 利用第一原理計算，系統分析RAlX化合物（R = 稀土元素，X = Si, Ge）的電子能帶結構。
• 研究對稱性破缺機制：空間反演（$\mathcal{I}$）與時間反演（$\mathcal{T}$）對稱性破缺。
• 根據洛倫茲對稱性是否保留對威爾 fermion 進行分類：I型（洛倫茲對稱性保留）與II型（洛倫茲對稱性破缺）。
• 透過調節稀土元素，探索磁性基態——鐵磁性、非磁性、反鐵磁性。
• 繪製RAlX家族中威爾節點位置與費米弧的分布。
• 關聯晶體結構、磁性有序與拓撲不變量，以預測威爾半金屬行為。

实验结果

研究问题

• RQ1 單一材料家族是否可容納所有類型的拓撲外殼威爾 fermion，包括σ-破缺與σ-破缺、I型與II型？
• RQ2 RAlX中稀土元素的選擇如何調控磁性有序與電子能帶拓撲結構？
• RQ3 對稱性破缺與RAlX化合物中威爾 fermion 的出現之間存在何種關係？
• RQ4 RAlX家族是否可同時支撐洛倫茲對稱性保留（I型）與洛倫茲對稱性破缺（II型）的威爾 fermion？
• RQ5 磁性與拓撲性質的可調控性如何促成新實驗平台，以探索拓撲量子現象？

主要发现

• RAlX家族支撐由σ-破缺與σ-破缺對稱性機制產生的威爾 fermion。
• RAlX中不同稀土元素引發不同的磁性基態：鐵磁性、非磁性或反鐵磁性。
• 透過選擇特定稀土元素，可調控電子能帶拓撲結構與威爾 fermion 性質。
• 所有類型的拓撲外殼威爾 fermion——I型與II型、σ-破缺與σ-破缺——均在同一家族材料中實現。
• 該家族化合物數量眾多且可調控性高，使其成為實驗研究多樣拓撲現象的理想平台。
• 該體系可系統性地探測輸運、譜學與基於器件的威爾半金屬行為。