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

Resumo Técnico: Fase de Semimetal de Weyl-Kondo Impulsionada por Desordem em WTe$_2$

Problema e Motivação
A interação entre correlações eletrônicas e topologia de bandas é um terreno fértil para fases quânticas emergentes, exemplificadas pelo semimetal Weyl–Kondo (WKSM). Em sistemas WKSM estabelecidos, como a família Ce$_3$Bi$_4$(Pt$_{1-x}$Pd$_x$)$_3$, o rastreamento Kondo renormaliza os férmions de Weyl em quase-partículas pesadas, fixando os nós de Weyl próximos ao nível de Fermi. No entanto, esses sistemas tipicamente requerem substituição química, pressão ou campos magnéticos para acessar a fase WKSM. Uma questão central permanece: se a desordem sozinha pode induzir uma fase WKSM em um semimetal de Weyl não magnético e fracamente correlacionado. Este estudo investiga o WTe$_2$ volumoso, um semimetal de Weyl tipo-II não centrossimétrico, para determinar se a desordem pode induzir interações Kondo que fixam dinamicamente o nível de Fermi próximo aos nós de Weyl, realizando assim uma fase WKSM ajustada pela desordem.

Metodologia
Os autores sintetizaram cristais únicos volumosos de WTe$_2$ usando transporte químico de vapor (CVT). Para sondar sistematicamente os efeitos da desordem, três amostras representativas (S-1, S-2 e S-3) foram selecionadas com razões de resistividade residual (RRR) variando em $\sim$51, 15 e 6, respectivamente, para corrente ao longo do eixo $a$. Valores menores de RRR indicam maior força de desordem. A qualidade estrutural foi verificada via difração de raios X (XRD), e a estequiometria foi confirmada por espectroscopia de energia dispersiva (EDS).

Medições de transporte foram conduzidas usando uma técnica de seis pontas de lock-in para registrar resistividades longitudinal ($\rho_{xx}$) e Hall ($\rho_{xy}$) sob várias orientações de corrente ($I \parallel a, c$) e campo magnético ($B \parallel a, c$). O transporte não linear foi sondado via medições de Hall de segunda harmônica ($\rho_{xy}^{2\omega}$) para detectar a resposta do dipolo de curvatura de Berry (BCD). A análise teórica envolveu o ajuste de dados de resistividade às expressões de Hamann para espalhamento Kondo e a modelagem do sistema usando um modelo de ligação forte para um semimetal de Weyl tipo-II que preserva a reversão temporal e quebra a inversão.

Principais Resultados

1. Rastreamento Kondo Anisotrópico:

   • Amostras com maior desordem (S-2 e S-3) exibiram uma ascensão de resistividade em baixas temperaturas, ausente na amostra mais limpa (S-1). A magnitude dessa ascensão foi de $\sim$25% em S-3 e 16% em S-2 a 2 K, escalando inversamente com o RRR.
   • A ascensão foi altamente anisotrópica: foi de $\sim$25% para corrente no plano ($I \parallel a$), mas reduziu para apenas 1,7% para corrente fora do plano ($I \parallel c$) em S-3.
   • Ajustes à expressão de Hamann produziram temperaturas Kondo ($T_K$) de $16 \pm 2$ K ($I \parallel a$) e $9 \pm 2$ K ($I \parallel c$), com números quânticos de spin efetivos $S \approx 1$. Isso confirma a emergência do espalhamento Kondo a partir de momentos magnéticos locais, provavelmente associados a íons W$^{4+}$, e demonstra sua forte dependência direcional consistente com a dispersão de Weyl tipo-II.

2. Anisotropia de Magnetorresistência (MR):

   • Medições de magnetorresistência revelaram um amplo pico de baixa temperatura atribuído à supressão do espalhamento de flip de spin Kondo.
   • A diferença na MR entre orientações de campo, $\delta(\text{MR}) = \text{MR}(B \parallel c) - \text{MR}(B \parallel a)$, mostrou um declínio acentuado em baixas temperaturas para amostras desordenadas, confirmando que a supressão do espalhamento Kondo é dependente da direção. Esta anisotropia foi negligenciável na amostra limpa S-1.

3. Efeito Hall Espontâneo (SHE):

   • Um efeito Hall espontâneo (SHE), caracterizado por uma resistividade Hall não nula em campo magnético zero ($\rho_{xy}(B=0) \neq 0$), foi observado na ausência de campos magnéticos externos.
   • O sinal SHE era simétrico em relação à reversão do campo magnético e crescia conforme a temperatura diminuía.
   • Crucialmente, a magnitude do SHE foi significativamente aumentada na amostra mais desordenada (S-3) em comparação com as amostras mais limpas, sugerindo uma ligação direta entre correlações impulsionadas pela desordem e o efeito.
   • A análise de densidade de portadores via modelo de duas bandas revelou que S-3 não é compensada em carga, indicando um deslocamento do nível de Fermi para longe da compensação perfeita, consistente com o nível de Fermi sendo fixado próximo aos nós de Weyl pelas interações Kondo.

4. Resposta Hall Não Linear:

   • Medições de Hall de segunda harmônica revelaram um sinal $V_{xy}^{2\omega}$ robusto exibindo escala quadrática com a corrente ($I^2$), indicativo de uma resposta impulsionada pelo dipolo de curvatura de Berry (BCD).
   • Este sinal não linear foi marcadamente aumentado na amostra desordenada S-3 abaixo de 50 K.
   • A modelagem teórica indica que a condutividade BCD atinge picos quando o nível de Fermi está próximo aos nós de Weyl. O aumento em S-3 apoia a hipótese de que as interações Kondo fixam o nível de Fermi nesta região.

Significância e Alegações
O artigo estabelece que a desordem atua como um parâmetro de ajuste eficaz para induzir uma fase de semimetal de Weyl–Kondo no material fracamente correlacionado e não magnético WTe$_2$. Os autores afirmam que:

• A desordem impulsiona a formação de momentos magnéticos locais que sofrem rastreamento Kondo, renormalizando a estrutura eletrônica.
• Essas interações Kondo fixam dinamicamente o nível de Fermi próximo aos nós de Weyl, uma condição tipicamente alcançada em sistemas de fermiões pesados via substituição química ou pressão.
• Este fixamento aumenta o transporte fora do equilíbrio impulsionado pela curvatura de Berry, explicando tanto o efeito Hall espontâneo de ordem linear (impulsionado por uma distribuição não perturbativa na presença de curvatura de Berry) quanto o efeito Hall não linear de ordem quadrática (impulsionado pelo dipolo de curvatura de Berry).
• As descobertas identificam o WTe$_2$ desordenado como uma plataforma que abriga "férmions de Weyl–Kondo" e destacam a desordem como um mecanismo viável para induzir fases topológicas correlacionadas em semimetais de Weyl não magnéticos, abrindo novas direções para explorar as propriedades de transporte nesses sistemas.

O trabalho não pretende fornecer uma descrição teórica completa de semimetais de Weyl–Kondo tipo-II desordenados, mas sim fornece evidência experimental da fase e de suas principais assinaturas (espalhamento Kondo anisotrópico, SHE e resposta Hall não linear) impulsionadas pela desordem.