[论文解读] Optical evidence for a Weyl semimetal state in pyrochlore Eu2Ir2O7

Andrei Sushkov, Johannes Hofmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Nuclear materials and radiation effects被引用 16

一句话总结

本研究通过在不同温度下测量反射率和透射率，为尖晶石结构Eu2Ir2O7中存在外尔半金属态提供了光学证据。通过将光学电导率拟合为洛伦兹振子之和及变分介电函数，作者识别出温度依赖的Drude权重为主要光谱权重贡献，证实了电子结构中存在无能隙外尔费米子。

ABSTRACT

A Weyl semimetallic state with pairs of nondegenerate Dirac cones in three dimensions was recently predicted to occur in the antiferromagnetic state of the pyrochlore iridates. Here, we show that the THz optical conductivity and temperature dependence of free carriers in the pyrochlore Eu2Ir2O7 match the predictions for a Weyl semimetal and suggest novel Dirac liquid behavior. The interband optical conductivity vanishes continuously at low frequencies signifying a semimetal. The metal-insulator transition at T_N = 110 K is manifested in the Drude spectral weight, which is independent of temperature in the metallic phase, and which decreases smoothly in the ordered phase. The temperature dependence of the free carrier weight below T_N is in good agreement with theoretical predictions for a Dirac material. The data yield a Fermi velocity v_F=4x10^7 cm/s, a logarithmic renormalization scale Lambda_L=600 K, and require a Fermi temperature of T_F=100 K associated with residual unintentional doping to account for the low temperature optical response and dc resistivity.

研究动机与目标

• 识别尖晶石结构Eu2Ir2O7中指示外尔半金属相的电子态。
• 利用光谱技术确定Eu2Ir2O7中温度依赖光学响应的起源。
• 区分光学电导率中自由载流子（Drude）、声子和电子跃迁的贡献。
• 验证仅Drude光谱权重随温度变化，表明存在无能隙电子态。

提出的方法

• 使用由Drude项、七个声子和五个电子跃迁组成的模型介电函数，对7 K、70 K及更高温度下的实验反射率和透射率谱进行拟合。
• 采用洛伦兹振子之和表示光学电导率，其中Drude和声子参数具有独立的温度依赖性。
• 使用变分介电函数（VDF）优化拟合，以捕捉洛伦兹振子之和无法分辨的小型光谱特征。
• 通过VDF应用Kramers-克朗尼格变换，确保与因果律一致，并外推至测量频率范围之外。
• 通过积分光学电导率计算总光谱权重$SW(\omega_c)$，并与Drude光谱权重$\omega_{sD}^2$进行比较。
• 移动总光谱权重曲线以分离温度依赖贡献，确认仅Drude项随温度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Eu2Ir2O7的光学响应是否表现出外尔半金属态的特征？
• RQ2 光学电导率中哪些组分——Drude、声子或电子跃迁——表现出温度依赖的光谱权重？
• RQ3 观测到的光学电导率中的温度依赖性是否可完全由Drude和声子参数的变化解释？
• RQ4 系统的总光谱权重主要由温度无关贡献主导，还是主要由自由载流子驱动？
• RQ5 VDF与洛伦兹拟合模型在捕捉精细光谱特征方面与实验数据的一致性如何？

主要发现

• Eu2Ir2O7中Drude光谱权重表现出强烈的温度依赖性，表明载流子密度或散射率发生变化，与无能隙电子态一致。
• 尽管声子线宽随温度变化，其光谱权重几乎保持温度不变。
• 经校正温度无关贡献后，VDF模型计算的总光谱权重$\omega_{pt}^2$与Drude项$\omega_{sD}^2$在定量上一致。
• 7 K时的Drude项较宽，且表现出有限的直流电导率，证实低温下具有金属性行为。
• Drude峰与最低电子跃迁峰的斜率相反，使得在拟合过程中能清晰分离两者的贡献。
• VDF模型以与实验曲线几乎相同的精度再现了实验反射率，验证了其在捕捉洛伦兹振子之和无法解析的亚结构方面的有效性。