Disorder-driven Weyl-Kondo Semimetal Phase in WTe$_2$

Résumé Technique : Phase de semi-métal de Weyl-Kondo induite par le désordre dans le WTe$_2$

Problématique et Motivation
L'interaction entre les corrélations électroniques et la topologie des bandes est un terrain fertile pour l'émergence de phases quantiques, comme l'illustre le semi-métal de Weyl-Kondo (WKSM). Dans les systèmes WKSM établis, tels que la famille Ce$_3$Bi$_4$(Pt$_{1-x}$Pd$_x$)$_3$, l'effet Kondo renormalise les fermions de Weyl en quasi-particules lourdes, ancrant les nœuds de Weyl près du niveau de Fermi. Cependant, ces systèmes nécessitent généralement une substitution chimique, de la pression ou des champs magnétiques pour accéder à la phase WKSM. Une question centrale demeure : le désordre seul peut-il induire une phase WKSM dans un semi-métal de Weyl faiblement corrélé et non magnétique ? Cette étude examine le WTe$_2$ massif, un semi-métal de Weyl de type II, non centrosymétrique, pour déterminer si le désordre peut induire des interactions Kondo qui ancrent dynamiquement le niveau de Fermi près des nœuds de Weyl, réalisant ainsi une phase WKSM ajustée par le désordre.

Méthodologie
Les auteurs ont synthétisé des monocristaux massifs de WTe$_2$ par transport chimique en phase vapeur (CVT). Pour sonder systématiquement les effets du désordre, trois échantillons représentatifs (S-1, S-2 et S-3) ont été sélectionnés avec des rapports de résistivité résiduelle (RRR) variables d'environ 51, 15 et 6 respectivement, pour un courant selon l'axe $a$. Des valeurs de RRR plus faibles indiquent une force de désordre plus élevée. La qualité structurelle a été vérifiée par diffraction des rayons X (XRD) et la stœchiométrie a été confirmée par spectroscopie de dispersion d'énergie (EDS).

Les mesures de transport ont été effectuées à l'aide d'une technique de verrouillage à six pointes pour enregistrer les résistivités longitudinale ($\rho_{xx}$) et Hall ($\rho_{xy}$) sous diverses orientations de courant ($I \parallel a, c$) et de champ magnétique ($B \parallel a, c$). Le transport non linéaire a été sondé via des mesures Hall de deuxième harmonique ($\rho_{xy}^{2\omega}$) pour détecter la réponse du dipôle de courbure de Berry (BCD). L'analyse théorique a impliqué l'ajustement des données de résistivité aux expressions de Hamann pour la diffusion Kondo et la modélisation du système à l'aide d'un modèle de liaison forte pour un semi-métal de Weyl de type II, préservant la symétrie par renversement du temps et brisant l'inversion.

Résultats Clés

1. Écran de Kondo Anisotrope :

   • Les échantillons présentant un désordre plus élevé (S-2 et S-3) ont montré une remontée de la résistivité à basse température, absente dans l'échantillon le plus pur (S-1). L'amplitude de cette remontée était d'environ 25 % pour S-3 et 16 % pour S-2 à 2 K, évoluant inversement avec le RRR.
   • La remontée était hautement anisotrope : elle était d'environ 25 % pour un courant dans le plan ($I \parallel a$) mais tombait à seulement 1,7 % pour un courant hors plan ($I \parallel c$) dans S-3.
   • L'ajustement aux expressions de Hamann a produit des températures de Kondo ($T_K$) de $16 \pm 2$ K ($I \parallel a$) et $9 \pm 2$ K ($I \parallel c$), avec des nombres quantiques de spin effectifs $S \approx 1$. Cela confirme l'émergence de la diffusion Kondo à partir de moments magnétiques locaux, probablement associés aux ions W$^{4+}$, et démontre sa forte dépendance directionnelle cohérente avec la dispersion de type II de Weyl.

2. Anisotropie de la Magnétorésistance (MR) :

   • Les mesures de magnétorésistance ont révélé un large pic à basse température attribué à la suppression de la diffusion de spin-flip de Kondo.
   • La différence de MR entre les orientations de champ, $\delta(\text{MR}) = \text{MR}(B \parallel c) - \text{MR}(B \parallel a)$, a montré un brusque changement vers le bas à basse température pour les échantillons désordonnés, confirmant que la suppression de la diffusion Kondo est dépendante de la direction. Cette anisotropie était négligeable dans l'échantillon propre S-1.

3. Effet Hall Spontané (SHE) :

   • Un effet Hall spontané (SHE), caractérisé par une résistivité Hall non nulle à champ magnétique nul ($\rho_{xy}(B=0) \neq 0$), a été observé en l'absence de champs magnétiques externes.
   • Le signal SHE était symétrique par rapport à l'inversion du champ magnétique et devenait plus fort à mesure que la température diminuait.
   • Crucialement, l'amplitude du SHE était significativement renforcée dans l'échantillon le plus désordonné (S-3) par rapport aux échantillons plus propres, suggérant un lien direct entre les corrélations induites par le désordre et l'effet.
   • L'analyse de la densité de porteurs via un modèle à deux bandes a révélé que S-3 n'est pas compensé en charge, indiquant un déplacement du niveau de Fermi loin d'une compensation parfaite, ce qui est cohérent avec le fait que le niveau de Fermi est ancré près des nœuds de Weyl par les interactions de Kondo.

4. Réponse Hall Non Linéaire :

   • Les mesures de Hall de deuxième harmonique ont révélé un signal $V_{xy}^{2\omega}$ robuste présentant une mise à l'échelle quadratique avec le courant ($I^2$), indicatrice d'une réponse pilotée par le dipôle de courbure de Berry (BCD).
   • Ce signal non linéaire était nettement renforcé dans l'échantillon désordonné S-3 en dessous de 50 K.
   • La modélisation théorique indique que la conductivité BCD culmine lorsque le niveau de Fermi est proche des nœuds de Weyl. L'augmentation dans S-3 soutient l'hypothèse selon laquelle les interactions de Kondo ancrent le niveau de Fermi dans cette région.

Signification et Revendications
L'article établit que le désordre agit comme un paramètre de réglage efficace pour induire une phase de semi-métal de Weyl-Kondo dans le matériau faiblement corrélé et non magnétique WTe$_2$. Les auteurs affirment que :

• Le désordre favorise la formation de moments magnétiques locaux qui subissent un écran de Kondo, renormalisant la structure électronique.
• Ces interactions de Kondo ancrent dynamiquement le niveau de Fermi près des nœuds de Weyl, une condition typiquement atteinte dans les systèmes de fermions lourds via la substitution chimique ou la pression.
• Cet ancrage renforce le transport hors équilibre piloté par la courbure de Berry, expliquant à la fois l'effet Hall spontané d'ordre linéaire (piloté par une distribution de fonctions non perturbative en présence de courbure de Berry) et l'effet Hall non linéaire d'ordre quadratique (piloté par le dipôle de courbure de Berry).
• Ces résultats identifient le WTe$_2$ désordonné comme une plateforme hébergeant des « fermions de Weyl-Kondo » et soulignent le désordre comme un mécanisme viable pour induire des phases topologiques corrélées dans les semi-métaux de Weyl non magnétiques, ouvrant de nouvelles directions pour l'exploration des propriétés de transport dans ces systèmes.

Le travail ne prétend pas fournir une description théorique complète des semi-métaux de Weyl-Kondo de type II désordonnés, mais fournit plutôt une preuve expérimentale de la phase et de ses signatures clés (diffusion de Kondo anisotrope, SHE et réponse Hall non linéaire) induites par le désordre.