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

Sintesi Tecnica: Fase di Semimetallo di Weyl-Kondo Indotta dal Disordine in WTe$_2$

Problema e Motivazione
L'interazione tra correlazioni elettroniche e topologia delle bande è un terreno fertile per fasi quantistiche emergenti, esemplificate dal semimetallo di Weyl-Kondo (WKSM). Nei sistemi WKSM stabiliti, come la famiglia Ce$_3$Bi$_4$(Pt$_{1-x}$Pd$_x$)$_3$, lo screening di Kondo rinormalizza i fermioni di Weyl in quasiparticelle pesanti, ancorando i nodi di Weyl vicino al livello di Fermi. Tuttavia, questi sistemi richiedono tipicamente sostituzione chimica, pressione o campi magnetici per accedere alla fase WKSM. Una questione centrale rimane se il disordine da solo possa guidare una fase WKSM in un semimetallo di Weyl debolmente correlato e non magnetico. Questo studio investiga il WTe$_2$ bulk, un semimetallo di Weyl di tipo II, non centrosimmetrico, per determinare se il disordine possa indurre interazioni di Kondo che ancorino dinamicamente il livello di Fermi vicino ai nodi di Weyl, realizzando così una fase WKsem regolata dal disordine.

Metodologia
Gli autori hanno sintetizzato cristalli singoli bulk di WTe$_2$ mediante trasporto chimico in fase vapore (CVT). Per sondare sistematicamente gli effetti del disordine, sono stati selezionati tre campioni rappresentativi (S-1, S-2 e S-3) con diversi rapporti di resistività residua (RRR) di circa 51, 15 e 6, rispettivamente, per la corrente lungo l'asse $a$. Valori di RRR più bassi indicano una maggiore forza del disordine. La qualità strutturale è stata verificata tramite diffrazione di raggi X (XRD) e la stechiometria è stata confermata tramite spettroscopia a dispersione di energia (EDS).

Le misure di trasporto sono state condotte utilizzando una tecnica a sei sonde con lock-in per registrare le resistività longitudinale ($\rho_{xx}$) e Hall ($\rho_{xy}$) sotto varie orientazioni di corrente ($I \parallel a, c$) e campo magnetico ($B \parallel a, c$). Il trasporto non lineare è stato indagato tramite misure Hall di seconda armonica ($\rho_{xy}^{2\omega}$) per rilevare la risposta del dipolo di curvatura di Berry (BCD). L'analisi teorica ha previsto l'adattamento dei dati di resistività alle espressioni di Hamann per lo scattering di Kondo e la modellazione del sistema utilizzando un modello di legame forte per un semimetallo di Weyl di tipo II che preserva la reversibilità temporale e rompe l'inversione.

Risultati Chiave

1. Screening di Kondo Anisotropo:

   • I campioni con maggiore disordine (S-2 e S-3) hanno esibito un aumento della resistività a basse temperature, assente nel campione più pulito (S-1). L'entità di questo aumento è stata di circa il 25% in S-3 e del 16% in S-2 a 2 K, scalando inversamente con il RRR.
   • L'aumento era altamente anisotropo: era di circa il 25% per la corrente nel piano ($I \parallel a$) ma si riduceva a solo l'1,7% per la corrente fuori dal piano ($I \parallel c$) in S-3.
   • L'adattamento all'espressione di Hamann ha prodotto temperature di Kondo ($T_K$) di $16 \pm 2$ K ($I \parallel a$) e $9 \pm 2$ K ($I \parallel c$), con numeri quantici di spin effettivi $S \approx 1$. Ciò conferma l'emergere dello scattering di Kondo da momenti magnetici locali, probabilmente associati agli ioni W$^{4+}$, e dimostra la sua forte dipendenza direzionale coerente con la dispersione di Weyl di tipo II.

2. Anisotropia della Magnetoresistenza (MR):

   • Le misure di magnetoresistenza hanno rivelato un ampio picco a basse temperature attribuito alla soppressione dello scattering di spin-flip di Kondo.
   • La differenza nella MR tra le orientazioni del campo, $\delta(\text{MR}) = \text{MR}(B \parallel c) - \text{MR}(B \parallel a)$, ha mostrato un marcato calo a basse temperature per i campioni disordinati, confermando che la soppressione dello scattering di Kondo è dipendente dalla direzione. Questa anisotropia era trascurabile nel campione pulito S-1.

3. Effetto Hall Spontaneo (SHE):

   • Un effetto Hall spontaneo (SHE), caratterizzato da una resistività Hall non nulla al campo magnetico nullo ($\rho_{xy}(B=0) \neq 0$), è stato osservato in assenza di campi magnetici esterni.
   • Il segnale SHE era simmetrico rispetto all'inversione del campo magnetico e cresceva all'diminuire della temperatura.
   • Crucialmente, l'entità dello SHE è stata significativamente aumentata nel campione più disordinato (S-3) rispetto ai campioni più puliti, suggerendo un legame diretto tra le correlazioni indotte dal disordine e l'effetto.
   • L'analisi della densità di portatori tramite un modello a due bande ha rivelato che S-3 non è compensato di carica, indicando uno spostamento dell'energia di Fermi lontano dalla compensazione perfetta, coerente con il livello di Fermi ancorato vicino ai nodi di Weyl dalle interazioni di Kondo.

4. Risposta Hall Non Lineare:

   • Misure Hall di seconda armonica hanno rivelato un robusto segnale $V_{xy}^{2\omega}$ che esibisce una scalatura quadratica con la corrente ($I^2$), indicativa di una risposta guidata dal dipolo di curvatura di Berry (BCD).
   • Questo segnale non lineare è stato marcatamente aumentato nel campione disordinato S-3 al di sotto di 50 K.
   • La modellazione teorica indica che la conduttività BCD raggiunge il picco quando il livello di Fermi è vicino ai nodi di Weyl. L'aumento in S-3 supporta l'ipotesi che le interazioni di Kondo ancorino il livello di Fermi in questa regione.

Significatività e Rivendicazioni
Il lavoro stabilisce che il disordine agisce come un parametro di sintonizzazione efficace per indurre una fase di semimetallo di Weyl-Kondo nel materiale debolmente correlato e non magnetico WTe$_2$. Gli autori affermano che:

• Il disordine guida la formazione di momenti magnetici locali che subiscono lo screening di Kondo, rinormalizzando la struttura elettronica.
• Queste interazioni di Kondo ancorano dinamicamente il livello di Fermi vicino ai nodi di Weyl, una condizione tipicamente raggiunta nei sistemi di fermioni pesanti tramite sostituzione chimica o pressione.
• Questo ancoramento potenzia la risposta di trasporto fuori equilibrio guidata dalla curvatura di Berry, spiegando sia l'effetto Hall spontaneo di ordine lineare (guidato da una funzione di distribuzione non perturbativa in presenza di curvatura di Berry) sia l'effetto Hall non lineare di ordine quadratico (guidato dal dipolo di curvatura di Berry).
• Le scoperte identificano il WTe$_2$ disordinato come una piattaforma che ospita "fermioni di Weyl-Kondo" e mettono in evidenza il disordine come un meccanismo vitale per indurre fasi topologiche correlate nei semimetalli di Weyl non magnetici.

Il lavoro non pretende di fornire una descrizione teorica completa dei WKSM di tipo II disordinati, ma fornisce prove sperimentali della fase e delle sue firme chiave (scattering di Kondo anisotropo, SHE e risposta Hall non lineare) guidate dal disordine.