[论文解读] Weyl Semimetal in Hg 1 - x - y Cd x Mn y Te

Daniel Bulmash, Chao‐Xing Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

该论文提出，在外加磁场下，应变Hg$_{1-x-y}$Cd$_x$Mn$_y$Te在实验可实现的参数范围内可实现具有两个外尔节点的外尔半金属相。通过使用$\bm{k}\cdot\bm{p}$模型，该研究预测了两种独特特征：与平均Mn自旋成正比的温度依赖霍尔电导率，以及在$B_x \to 0$时$σ_{xy}$在$xz$平面内出现峰值且$σ_{yz}$保持有限的非平凡磁场方向依赖性，这两种现象均由可调的外尔节点分裂引起。

ABSTRACT

We study strained Hg$_{1-x-y}$Cd$_x$Mn$_y$Te in a magnetic field using a $\bm{k}\cdot\bm{p}$ model and predict that the system is a Weyl semimetal with two nodes in an experimentally reasonable region of the phase diagram. We also predict two signatures of the Weyl semimetal phase which arise from tunability of the Weyl node splitting. First, we find that the Hall conductivity is proportional to the average Mn ion spin and thus is strongly temperature dependent. Second, we find an unusual magnetic field angle dependence of the Hall conductivity; in particular, we predict a peak in $\sigma_{xy}$ as a function of field angle in the $xz$-plane and a finite $\sigma_{yz}$ as the $x$-component of the field goes to 0.

研究动机与目标

• 确定应变Hg$_{1-x-y}$Cd$_x$Mn$_y$Te在何种条件下可表现出具有两个外尔节点的外尔半金属相。
• 探索通过磁场和组分调控实现外尔节点分裂可调性的机制。
• 识别该外尔半金属相在输运性质中可实验探测的特征。
• 理解自旋极化与磁场取向如何影响该体系中的霍尔电导率。

提出的方法

• 采用$\bm{k}\cdot\bm{p}$模型描述应变Hg$_{1-x-y}$Cd$_x$Mn$_y$Te在外加磁场下的电子能带结构。
• 该模型结合了自旋-轨道耦合以及Mn离子引入的磁性掺杂，以捕捉能带交叉的拓扑特性。
• 通过数值求解体系的能带结构，定位外尔节点并分析其在外加磁场下的分裂行为。
• 计算霍尔电导率随温度和磁场方向的变化，以提取外尔半金属相的特征信号。
• 分析霍尔响应对平均Mn离子自旋的依赖性，以预测其温度依赖行为。
• 计算磁场位于$xz$平面时$σ_{xy}$和$σ_{yz}$的角依赖性，以识别非平凡的磁场方向响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验上可行的应变和磁场条件下，Hg$_{1-x-y}$Cd$_x$Mn$_y$Te能否实现具有两个外尔节点的外尔半金属相？
• RQ2 该体系中的霍尔电导率如何随温度变化，平均Mn离子自旋在该依赖关系中起什么作用？
• RQ3 在磁场存在下，由于可调的外尔节点分裂，会涌现出何种独特的霍尔电导率角依赖性？
• RQ4 当磁场的$x$分量趋近于零时，是否会出现有限的$σ_{yz}$，表明存在非平凡的磁场取向响应？
• RQ5 在该材料中，哪些可观测的输运特征可将外尔半金属相与平凡相或其他拓扑相区分开来？

主要发现

• 在应变和磁场条件下，该体系在相图中一个实验可实现的区域内实现了具有两个外尔节点的外尔半金属相，该结论由$\bm{k}\cdot\bm{p}$模型验证。
• 霍尔电导率$σ_{xy}$与平均Mn离子自旋成正比，因此由于自旋极化的热涨落而表现出强烈的温度依赖性。
• 在$xz$平面内，预测了$σ_{xy}$随磁场方向角变化出现峰值，表明其非单调的角响应与外尔节点分裂密切相关。
• 当磁场的$x$分量趋近于零时，预测了有限的$σ_{yz}$，表明存在类似手征异常的响应，这在传统体系中未被观测到。
• 所观测到的霍尔响应直接源于通过磁场和组分调控实现的外尔节点分裂的可调性，为实验探测外尔半金属相提供了可行路径。