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

技术摘要：WTe$_2$ 中由无序驱动的 Weyl-Kondo 半金属相

问题与动机
电子关联与能带拓扑之间的相互作用是涌现量子相的肥沃土壤，典型的例子是 Weyl-Kondo 半金属（WKSM）。在已有的 WKSM 系统中（例如 Ce$_3$Bi$_4$(Pt$_{1-x}$Pd$_x$)$_3$ 系列），Kondo 屏蔽将 Weyl 费米子重整化为重准粒子，并将 Weyl 节点钉扎在费米能级附近。然而，这些系统通常需要通过化学取代、压力或磁场来进入 WKSM 相。一个核心问题仍然存在：在弱关联、非磁性的 Weyl 半金属中，仅靠无序是否就能驱动产生 WKSM 相？本研究调查了体相 WTe$_2$（一种非中心对称的 II 型 Weyl 半金属），旨在确定无序是否可以诱导 Kondo 相互作用，从而动态地将费米能级钉扎在 Weyl 节点附近，进而实现由无序调控的 WKSM 相。

方法论
作者利用化学气相输运法（CVT）合成了体相 WTe$_2$ 单晶。为了系统地探测无序效应，研究选择了三个具有代表性的样品（S-1、S-2 和 S-3），其沿 $a$ 轴电流方向的剩余电阻率比（RRR）分别为 $\sim$51、15 和 6。较低的 RRR 值表示更高的无序强度。通过 X 射线衍射（XRD）验证了结构质量，并通过能量色散 X 射线光谱（EDS）确认了化学计量比。

输运测量采用六探针锁相技术，在不同的电流（$I \parallel a, c$）和磁场（$B \parallel a, c$）取向下记录纵向（$\rho_{xx}$）和霍尔（$\rho_{xy}$）电阻率。通过二倍频霍尔测量（$\rho_{xy}^{2\omega}$）探测非线性输运，以检测贝里曲率偶极子（BCD）响应。理论分析包括使用 Hamann 公式对电阻率数据进行拟合以研究 Kondo 散射，并使用紧束缚模型对这一保持时间反演对称性且破缺反演对称性的 II 型 Weyl 半金属进行建模。

关键结果

1. 各向异性 Kondo 屏蔽：

   • 具有较高无序度的样品（S-2 和 S-3）在低温下表现出电阻率上升现象，而较洁净的样品（S-1）则没有。在 2 K 时，S-3 的上升幅度约为 25%，S-2 为 16%，该幅度与 RRR 成反比。
   • 这种上升具有高度的各向异性：对于面内电流（$I \parallel a$），上升幅度约为 25%；而对于面外电流（$I \parallel c$），在 S-3 中下降到仅 1.7%。
   • 对 Hamann 公式进行拟合得到的 Kondo 温度（$T_K$）分别为 $16 \pm 2$ K（$I \parallel a$）和 $9 \pm 2$ K（$I \parallel c$），有效自旋量子数 $S \approx 1$。这证实了由局部磁矩（可能与 W$^{4+}$ 离子相关）引起的 Kondo 散射的出现，并证明了其具有强烈的方向依赖性，这与 II 型 Weyl 色散一致。

2. 磁电阻（MR）各向异性：

   • 磁电阻测量揭示了一个宽阔的低温峰，归因于 Kondo 自旋翻转散射的抑制。
   • 不同磁场取向之间的磁电阻差异 $\delta(\text{MR}) = \text{MR}(B \parallel c) - \text{MR}(B \parallel a)$ 在无序样品中表现出显著的低温下降，证实了 Kondo 散射的抑制具有方向依赖性。这种各向异性在洁净样品 S-1 中几乎可以忽略不计。

3. 自发霍尔效应（SHE）：

   • 在不存在外磁场的情况下，观察到了自发霍尔效应（SHE），其特征为零磁场下的非零霍尔电阻率（$\rho_{xy}(B=0) \neq 0$）。
   • SHE 信号相对于磁场反转是对称的，并随温度降低而增强。
   • 至关重要的是，在最无序的样品（S-3）中，SHE 的量级显著高于较洁净的样品，表明无序驱动的关联与该效应之间存在直接联系。
   • 通过双带模型进行的载流子密度分析表明，S-3 并非电荷补偿型，这表明费米能级偏离了完美的补偿状态，符合费米能级被 Kondo 相互作用钉扎在 Weyl 节点附近的假设。

4. 非线性霍尔响应：

   • 二倍频霍尔测量显示出稳健的 $V_{xy}^{2\omega}$ 信号，该信号随电流（$I^2$）呈二次方比例缩放，表明这是由贝里曲率偶极子（BCD）驱动的响应。
   • 在无序的 S-3 样品中，该非线性信号在 50 K 以下显著增强。
   • 理论建模表明，当费米能级靠近 Weyl 节点时，BCD 电导率达到峰值。S-3 中的增强支持了以下假设：Kondo 相互作用将费米能级钉扎在该区域。

意义与主张
本文确立了无序可以作为一种有效的调节参数，在弱关联、非磁性的 WTe$_2$ 材料中诱导出 Weyl-Kondo 半金属相。作者声称：

• 无序驱动了局部磁矩的形成，这些磁矩经历 Kondo 屏蔽，从而重整化了电子结构。
• 这些 Kondo 相互作用动态地将费米能级钉扎在 Weyl 节点附近，这在重费米子体系中通常是通过化学取代或压力来实现的。
• 这种钉扎增强了贝里曲率驱动的非平衡输运，解释了观察到的线性阶自发霍尔效应（由存在贝里曲率的非微扰分布函数驱动）以及二次阶非线性霍尔效应（由贝里曲率偶极子驱动）。
• 这些发现将无序 WTe$_2$ 识别为一个托管“Weyl-Kondo 费米子”的平台，并强调了无序是诱导非磁性 Weyl 半金属中关联拓扑相的一种可行机制，为探索此类系统的输运性质开辟了新方向。

本文并未声称提供了关于无序 II 型 WKSM 的完整理论描述，而是提供了该物相及其关键特征（各向异性 Kondo 散射、SHE 和非线性霍尔响应）的实验证据，这些特征均由无序驱动。