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Topological phenomena in pyrochlore iridates : 파이로클로르 이리듐 산화물의 위상학적 현상

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Authors

오태구

Advisor
양범정
Issue Date
2022
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
TopologicalphenomenaAnomalousHallEffectPyrochloreIridatesWeylsemimetal
Description
학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공), 2022. 8. 양범정.
Abstract
응집물질에서의 물리는 크게 스핀 오비탈 결합과 전자 간의 상호작용으로 결정된다. 스핀 오비탈 결합과 전자 간 상호작용이 모두 밴드 폭과 비슷하게 큰 경우, 강상 위상학적 상인 바일 준금속, 액시온 부도체, 또는 위상 모트 부도체 등이 나타난다. 이들은 모두 특이한 물성을 지녔기에 주목을 점점 더 많이 받고 있다.

파이로클로르 이리듐 산화물의 화학식은 R2Ir2O7로, 상호작용과 스핀 오비탈 결합이 모두 큰 시스템이다. 따라서 이 물질군은 강상 위상학적 상을 조사할 수 있는 좋은 배경이 된다. 특히, 이 물질군은 낮은 온도에서 반강자성이 생기면서 바일 준금속이 나타날 수 있는 것으로 예측된 첫 번째 후보이다. 이 때 반강자성의 이름을 All-in-all-out (AIAO)이라고 부르는데 이는 모든 스핀이 동시에 셀 중심을 향하거나 바깥을 향하기 때문이다.

그러나 자성 바일 준금속이라는 결정적인 증거는 아직 발견되지 않았는데, 두 가지 이유가 있다. 첫번째로는 이 물질군이 대부분 부도체이므로 바일 준금속을 볼 수 있는 범위가 매우 좁다. 두번째로는 이 물질군에서 바일 준금속이 생기더라도 이에 의해서 나올 수 있는 물성이 정육면체 대칭성에 의해서 모두 사라지기 때문이다. 이 물질군에서 바일 준금속을 찾기 위해서 우리는 이 물질이 반강자성 부도체에서 상자성 도체가 되는 전이점 근처에서 섭동을 걸어주었다. 이 섭동은 바일 준금속을 볼 수 있는 범위를 넓혀 줄 뿐 아니라 대칭성도 깨줄 것으로 예상되었으므로 위의 어려움이 모두 극복될 것으로 예상되었다. 섭동으로 이용된 것은 자기장과 변형이다.

첫째로, 자기장이 반강자성 부도체와 상자성 도체 사이에 존재하는 (Ndx Pr{1-x})2Ir2O7 단결정에 걸렸을 때 매우 다양한 위상학적 준금속이 관측되었다. 군론을 이용하면 상자성 도체에 존재하는 이차 밴드 겹침이 높은 스핀 (J=3/2)을 가지기 때문에 자기장이 걸렸을 때 일반적인 제만 항 뿐 아니라 비등방성 제만 항이 추가적으로 나오는 것을 볼 수 있었다. 이 두 제만 항과 AIAO 사이의 상호관계는 4쌍 바일, 2쌍 바일, 이차 바일, 그리고 선 겹침 준금속을 만들어 내었다. 이 때 자기장이 파이로클로르 이리듐 산화물 내부의 스핀 구조를 바꾸면서 제만 항과 AIAO을 조절하는 것으로 알려졌다.

둘째로, 반강자성 부도체인 Nd2Ir2O7와 상자성 도체인 Pr2Ir2O7 박막에 각각 변형이 걸렸다. Nd2Ir2O7의 경우 변형이 부도체-도체 전이와 함께 자기장이 없을 때 이상 홀 효과를 유도하였다. 모델을 이용한 계산은 이것이 바일 준금속이 아니라 전자 및 양공 주머니가 있는 단순한 도체임을 보였다. 또한 자기장이 없을 때 자화가 없으므로, 이상 홀 효과의 원인은 바일 준금속도 자화도 아니었다. 사실 변형이 유도하는 T1-팔극자가 이상 홀 효과의 원인인데, 이는 이 팔극자가 자화랑 대칭성이 같기 때문이다. 반면 Pr2Ir2O7의 경우, 이상 홀 효과, 음의 자기저항, 평면 홀 효과 등 바일 준금속의 증거가 많이 발견되었다. 그 중에서도 평면 홀 효과는 바일 준금속의 카이랄 이상과 AIAO으로 설명되었다. 이 졸업 논문에서는 바일 준금속이 파이로클로르 준금속에서 생기는 원인과 어떻게하면 그것을 찾을 수 있는지를 제공한다. 따라서 이는 파이로클로르 이리듐 산화물에서 새로운 위상학적 상의 실험적 발견을 촉진할 것이다.
Physics in condensed matter is determined by spin-orbit coupling and electronic correlation. When spin-orbit coupling and electronic correlation are comparable to the bandwidth, the correlated topological phases like Weyl semimetal, axion insulator, and topological Mott insulator emerge. Because of their unique physical phenomena, correlated topological phases are getting more attention.

Pyrochlore iridates, whose chemical formula is R2Ir2O7 (R: rare-earth), have a strong correlation and spin-orbit coupling at the same time. Hence, pyrochlore iridates are playgrounds for investigating the correlated topological phases. Especially, pyrochlore iridates are the first candidate that a Weyl semimetal develops when the antiferromagnetic order is developed at a low temperature. The antiferromagnetic order is called all-in-all-out (AIAO) since all spins point from or to the unit cell center.

However, the smoking gun evidence for a magnetic Weyl semimetal is missing so far for two reasons. First, the ground state is mostly an antiferromagnetic insulator, so the window for Weyl semimetal is negligible. Second, although the Weyl semimetal is present in pyrochlore iridates, the signals from the Weyl semimetal are canceled by the cubic symmetry.
In order to find Weyl semimetal in pyrochlore iridates, we apply the perturbations to pyrochlore iridates near the transition point from antiferromagnetic insulator to paramagnetic metal. We expect that the perturbation widens the window for Weyl semimetal and breaks the cubic symmetry so that the difficulties above can be overcome. The perturbations used here are magnetic field and strain. Accordingly, the dissertation is divided into two parts.

First, the magnetic field is applied to (NdxPr{1-x})2Ir2O7 single crystals, which is between the antiferromagnetic insulator and paramagnetic metal phase. Then, the experiment shows a variety of topological semimetals. The group theory shows that the quadratic band crossing in paramagnetic metal has a high effective spin J=3/2, so the magnetic field induces an anisotropic Zeeman term as well as a usual Zeeman term. The interplay of two Zeeman terms and AIAO order gives rise to the various topological semimetals, like the 4-pair Weyl, 2-pair Weyl, double Weyl, and nodal-line semimetals. The magnetic field controls Zeeman terms and AIAO by changing the spin configuration of pyrochlore iridates.

Second, when strain is applied to Nd2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 thin films, which are the antiferromagnetic insulator and paramagnetic metal, respectively. For Nd2Ir2O7, the strain induces the insulator-to-metal transition and anomalous Hall Effect at zero magnetic fields. The model calculation shows that strained Nd2Ir2O7 is trivial metal with electron and hole pockets. Since the magnetization is zero at zero fields, the origin of the anomalous Hall Effect is neither the magnetization nor the Weyl semimetal. In fact, the strain-induced T1-octupole is the origin of the anomalous Hall Effect, since T1-octupole has the same symmetry as magnetization. On the other hand, for Pr2Ir2O7, the experiments show numerous pieces of evidence for Weyl semimetals, such as anomalous Hall Effect, negative magnetoresistance, and planar Hall Effect. Especially, the planar Hall Effect can be explained by the chiral anomaly of Weyl semimetal and AIAO order. The results in the dissertation provide the reasons why Weyl semimetal emerges in pyrochlore iridates, and the method to find the Weyl semimetal as well. This dissertation facilitates the experimental discovery of novel topological phases in pyrochlore iridates.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/188505

https://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000173389
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