[论文解读] Pr$_2$Ir$_2$O$_7$: when Luttinger semimetal meets Melko-Hertog-Gingras spin ice state

Xu-Ping Yao, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

该论文提出，Pr₂Ir₂O₇ 中有序的 'Melko-Hertog-Gingras' 自旋冰态产生一个内禀磁场，重构 Ir 5d 电子的能带结构，进而在时间反演不变动量点诱导出对称性保护的狄拉克锥，并稳定外尔节点。Pr 4f 磁矩与 Ir 导带电子之间的 f-d 交换耦合使得拓扑能带特征可由磁场调控，为在关联电子系统中工程化拓扑半金属提供了一个可调平台。

ABSTRACT

We study the band structure topology and engineering from the interplay between local moments and itinerant electrons in the context of pyrochlore iridates. For the metallic iridate Pr$_2$Ir$_2$O$_7$, the Ir $5d$ conduction electrons interact with the Pr $4f$ local moments via the $f$-$d$ exchange. While the Ir electrons form a Luttinger semimetal, the Pr moments can be tuned into an ordered spin ice with a finite ordering wavevector, dubbed "Melko-Hertog-Gingras" state, by varying Ir and O contents. We point out that the ordered spin ice of the Pr local moments generates an internal magnetic field that reconstructs the band structure of the Luttinger semimetal. Besides the broad existence of Weyl nodes, we predict that the magnetic translation of the "Melko-Hertog-Gingras" state for the Pr moments protects the Dirac band touching at certain time reversal invariant momenta for the Ir conduction electrons. We propose the magnetic fields to control the Pr magnetic structure and thereby indirectly influence the topological and other properties of the Ir electrons. Our prediction may be immediately tested in the ordered Pr$_2$Ir$_2$O$_7$ samples. We expect our work to stimulate a detailed examination of the band structure, magneto-transport, and other properties of Pr$_2$Ir$_2$O$_7$.

研究动机与目标

• 研究 Pr₂Ir₂O₇ 中 Ir 5d 导带电子与 Pr 4f 局域磁矩之间的相互作用。
• 理解 Pr 磁矩有序的 'Melko-Hertog-Gingras' 自旋冰态如何影响 Ir 电子的拓扑能带结构。
• 提出 Pr 自旋有序的磁平移对称性可保护 Ir 能带结构中时间反演不变动量点处的狄拉克锥。
• 证明外加磁场可通过 f-d 交换耦合实现系统在半金属相与绝缘相之间的调控。
• 为有序 Pr₂Ir₂O₇ 样品中的 ARPES、光学与磁电输运实验提供可检验的预测。

提出的方法

• 使用包含 Pr 4f 磁矩与 Ir 5d 电子之间 f-d 交换耦合的紧束缚哈密顿量，对 Pr₂Ir₂O₇ 的能带结构进行理论建模。
• 分析 'Melko-Hertog-Gingras' 自旋冰态的磁平移对称性及其对狄拉克节点时间反演对称性保护的影响。
• 利用群论与动量空间对称性分析，识别高对称点处受保护的能带简并。
• 在 f-d 交换耦合参数空间中构建相图，以描绘拓扑相变。
• 预测在外加磁场下由于对称性破缺而形成外尔节点。
• 建议实验探测手段：ARPES 用于直接映射能带结构，光学光谱用于探测间带跃迁，磁电输运用于探测异常霍尔效应与金属-绝缘体相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇ 中 Pr 4f 磁矩的有序 'Melko-Hertog-Gingras' 自旋冰态如何影响 Ir 5d 导带电子的能带结构？
• RQ2 当 Pr 磁矩在 'Melko-Hertog-Gingras' 态有序时，何种对称性保护了 Ir 能带结构中狄拉克锥的出现？
• RQ3 外加磁场能否调控 Pr₂Ir₂O₇ 中 Ir 能带结构的拓扑性质，若能，其机制是什么？
• RQ4 哪些实验信号可将由 Pr 自旋冰序诱导的拓扑特征与顺磁相中的特征区分开来？
• RQ5 f-d 交换耦合如何介导该体系中的场致金属-绝缘体相变？

主要发现

• Pr₂Ir₂O₇ 中的 'Melko-Hertog-Gingras' 自旋冰有序产生一个内禀磁场，重构 Ir 5d 能带结构，进而在时间反演不变动量点形成对称性保护的狄拉克锥。
• Pr 自旋有序的磁平移对称性保护了布里渊区特定高对称点处的狄拉克节点。
• 在有序 Pr₂Ir₂O₇ 样品及外加磁场下，不同类型的外尔节点普遍存在。
• 施加外磁场会破坏狄拉克锥的保护，导致其消失，这为实验提供了清晰的信号。
• 相图显示存在场致金属-绝缘体相变，强 f-d 交换耦合下，大部分半金属区域可转变为绝缘相。
• ARPES、光学测量与磁电输运被建议为探测预测的拓扑特征与相变的可行实验手段。