[论文解读] Magnetic Weyl and Dirac Kondo semimetal phases in heterostructures

Seulgi Ok, Markus Legner+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出，将拓扑Kondo绝缘体SmB6与具有相同结构的铁磁性或反铁磁性Kondo绝缘体（如EuB6、YbB6或CeB6）构成异质结，可诱导出磁性外尔或狄拉克Kondo半金属相。Kondo效应保护了拓扑非平庸的外尔和狄拉克锥，使得在费米能级附近存在鲁棒的表面态，且可实现I型和II型相。

ABSTRACT

We study a layered three-dimensional heterostructure in which two types of Kondo insulators are stacked alternatingly. One of them is the topological Kondo insulator SmB 6 , the other one an isostructural Kondo insulator AB 6 , where A is a rare-earth element, e.g., Eu, Yb, or Ce. We find that if the latter orders ferromagnetically, the heterostructure generically becomes a magnetic Weyl Kondo semimetal, while antiferromagnetic order can yield a magnetic Dirac Kondo semimetal. We detail both scenarios with general symmetry considerations as well as concrete tight-binding calcu-lations and show that type-I as well as type-II magnetic Weyl/Dirac Kondo semimetal phases are possible in these heterostructures. Our results demonstrate that Kondo insulator heterostructures are a versatile platform for design of strongly correlated topological semimetals.

研究动机与目标

• 探索拓扑Kondo绝缘体与磁性Kondo绝缘体异质结中拓扑半金属相的出现。
• 证明异质结中的铁磁序导致磁性外尔Kondo半金属相，而反铁磁序则产生磁性狄拉克Kondo半金属相。
• 确立通过对称性保护的能带简并性，可实现I型和II型外尔/狄拉克Kondo半金属相。
• 识别满足此类相拓扑和磁性条件的可行候选材料（如EuB6、YbB6、CeB6）。
• 表明界面处的应变工程可增强能带隙，并将Kondo物理稳定在更高温度下。

提出的方法

• 通过交替排列SmB6与同结构的Kondo绝缘体AB6（A = 稀土元素）构建层状三维异质结。
• 利用对称性分析和群论，确定由于磁序破缺时间反演对称性而产生外尔或狄拉克节点的条件。
• 通过紧束缚模型计算映射体电子结构，并确认拓扑保护的外尔/狄拉克锥的存在。
• 分析能带色散关系，以区分I型（线性、孤立锥）与II型（倾斜锥）外尔/狄拉克半金属相。
• 评估界面处晶格失配和应变（如SmB6/EuB6）对能带隙调控及Kondo关联稳定性的贡献。
• 基于能带结构、磁有序性以及与费米能级的接近程度，评估候选材料（YbB6、CeB6）的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6与磁性Kondo绝缘体（如EuB6或CeB6）的异质结能否容纳磁性外尔Kondo半金属相？
• RQ2 在何种对称性和磁性条件下，此类异质结中会涌现出磁性狄拉克Kondo半金属相？
• RQ3 该平台能否实现I型和II型外尔/狄拉克Kondo半金属相？
• RQ4 实现这些相的关键材料要求是什么，特别是关于能带对齐和磁有序性？
• RQ5 界面应变如何影响Kondo驱动的拓扑半金属相的稳定性和可观测性？

主要发现

• AB6层中的铁磁序诱导出磁性外尔Kondo半金属相，其在费米能级附近具有拓扑保护的外尔锥。
• AB6层中的反铁磁序导致磁性狄拉克Kondo半金属相，其具有由晶体对称性保护的四重简并狄拉克锥。
• 根据能带色散和锥体倾斜程度，I型和II型外尔及狄拉克Kondo半金属相均可实现。
• SmB6的表面态为这些相的出现提供了拓扑种子，而Kondo效应确保了其鲁棒性。
• YbB6和CeB6是可行的候选材料，因其p-和d-轨道能带靠近费米能级且具有已知的磁有序性。
• 由晶格失配（如SmB6/EuB6）引起的界面应变可增强能带隙，并将Kondo物理的温度尺度提升至约240 K。