[论文解读] Quenching a Weyl-Kondo semimetal by magnetic field

Sami Dzsaber, D. A. Zocco+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用霍尔效应测量，探究了磁性场对威尔半金属-库珀半金属 Ce₃Bi₄Pd₃ 的调控作用，揭示了两阶段的量子相变：首先，外尔节点湮灭导致绝缘行为增强；随后，系统转变为重费米子金属相。该工作表明，通过磁场实现的非热调控是探测强关联拓扑相的有效手段。

ABSTRACT

With the advent of topology in electronic materials the number of predicted quantum phases has literally exploded. Most of them, however, still await firm experimental identification. In strongly correlated electron systems, scanning their low-temperature phase diagrams by varying a nonthermal control parameter has been instrumental in delineating phases defined by a Landau order parameter. Here we show that this approach is versatile also for strongly correlated topological phases. We use Hall effect measurements to probe how the time reversal symmetry invariant Weyl-Kondo semimetal Ce$_3$Bi$_4$Pd$_3$ transforms under magnetic-field tuning. We detect an intriguing two-stage transition, which we associate with an annihilation of the Weyl nodes, making the system more insulating, and a consecutive transition to a heavy fermion metal phase. We expect our work to stimulate tuning studies in related systems, thereby advancing the much needed identification of organizing principles for strongly correlated electronic topology.

研究动机与目标

• 探究时间反演对称性不变的威尔-库珀半金属 Ce₃Bi₄Pd₃ 在磁场调控下的低温量子相图。
• 阐明非热控制参数如何揭示强关联电子系统中的拓扑量子相。
• 明确 Ce₃Bi₄Pd₃ 中观测到的相变本质，特别是拓扑与电子结构变化的顺序。
• 通过场调控实验建立强关联拓扑材料中组织原则的识别框架。

提出的方法

• 开展低温霍尔效应测量，以探测 Ce₃Bi₄Pd₃ 在不同磁场下的电子响应。
• 分析霍尔电阻率，以检测载流子密度和符号的变化，从而指示拓扑相变。
• 将磁场作为非热控制参数，使系统在量子相之间发生调控。
• 通过霍尔响应和绝缘行为的变化，识别外尔节点湮灭的特征。
• 将实验测得的霍尔数据与威尔半金属和库珀金属的理论预期进行对比。
• 基于输运各向异性和电阻率的演化，绘制相边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场的施加如何改变威尔-库珀半金属 Ce₃Bi₄Pd₃ 的电子结构？
• RQ2 在磁场调控下，Ce₃Bi₄Pd₃ 中观测到的两阶段量子相变的本质是什么？
• RQ3 所观测到的相变序列是否对应于外尔节点湮灭，随后发生向重费米子金属态的跨界转变？
• RQ4 通过磁场实现的非热调控是否能有效探测强关联拓扑材料的相图？
• RQ5 该体系为识别拓扑量子物质中的组织原则提供了哪些新见解？

主要发现

• 在磁场调控下，Ce₃Bi₄Pd₃ 中观测到两阶段量子相变，霍尔响应和电阻率出现显著变化。
• 第一阶段相变归因于外尔节点的湮灭，导致更显著的绝缘行为，表现为霍尔信号符号改变及信号抑制。
• 第二阶段相变标志着重费米子金属相的出现，表现为霍尔信号恢复有限值以及准粒子散射增强。
• 霍尔效应测量清晰揭示了系统从拓扑半金属到拓扑 trivial 绝缘态，最终演变为重费米液体的演化过程。
• 结果表明，磁场调控是探测和识别强关联拓扑材料中量子相的可行方法。
• 本研究提供了实验证据，将外尔节点湮灭与库珀半金属中绝缘行为的形成以及后续重费米子态的出现联系起来。