Везде

Президиум РАНДоклады Российской академии наук. Физика, технические науки Doklady Physics

  • ISSN (Print) 2686-7400
  • ISSN (Online) 3034-5081

СТАБИЛЬНОСТЬ, ЭЛЕКТРОННЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДИРАКОВСКОГО ПОЛУМЕТАЛЛА CdAs, ЛЕГИРОВАННОГО МАРГАНЦЕМ И ХРОМОМ

Вы можете
Код статьи
S2686740025030041-1
DOI
10.31857/S2686740025030041
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Кулатов Э. Т.
  • Аффилиация: Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Успенский Ю. А.
  • Аффилиация: Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Том/ Выпуск
Том 522 / Номер выпуска 1
Страницы
23-34
Аннотация
Легирование дираковских полуметаллов магнитными атомами обещает создание новых топологических материалов с нарушенной симметрией по отношению к обращению времени. Согласно теоретическим моделям, в них должны наблюдаться необычные транспортные свойства: отрицательное магнитосопротивление, π-эффект Ааронова–Бома, квантовый эффект Холла и др. Однако реальные сплавы являются сложными объектами, во многом отличными от модельных представлений. В настоящей работе на основе первопринципных расчетов анализируются стабильность и свойства двух сплавов замещения на основе дираковских полуметаллов CdAs: (CdMn)As и (CdCr)As. Основное различие между этими топологическими сплавами обусловлено типом легирования: изовалентным в случае Mn и неизовалентным – в случае Cr. Расчеты показывают, что валентность легирующих атомов непосредственно определяет положение уровня Ферми и характер спинового упорядочения в сплаве, а также сохранение конуса Дирака в электронном спектре. Найденные особенности носят закономерный характер и слабо зависят от деталей пространственного расположения магнитных атомов в сплавах.
Ключевые слова
топологические полуметаллы магнитное легирование конус Дирака электронная структура спиновое упорядочение спинтроника
Дата публикации
19.12.2024
Год выхода
2024
Всего подписок
0
Всего просмотров
15

Библиография

  1. 1. Armitage N.P., Mele E.J., Vishvanath A. Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids // Rev. Mod. Phys. 2018. V. 90. No. 1. 015001. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.90.015001
  2. 2. Wang S., Lin B.C., Wang A.Q., Yu D.P., Liao Z.M. Quantum Transport in Dirac and Weyl Semimetals: A Review // Adv. Phys.: X. 2017. V. 2. P. 518–544. https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1327329
  3. 3. Burkov A.A. Topological Semimetal // Nat. Mater. 2016. V. 15. P. 1145–1148. https://doi.org/10.1038/nmat4788
  4. 4. Wang A.-Q., Ye X.-G., Yu D.-P., Liao Z.M. Topological semimetal nanostructures: from properties to topotronics // ACS Nano. 2020. V. 14. P. 3755–3778. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07990
  5. 5. Liu P., Williams J.R., Cha J.J. Topological nanomaterials // Nat. Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 479–496. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0113-4
  6. 6. Wang L.X., Li C.Z., Yu D.P., Liao Z.M. Aharonov-Bohm Oscillations in Dirac Semimetal CdAs Nanowires // Nat. Commun. 2016. V. 7. 10769. https://doi.org/10.1038/ncomms10769
  7. 7. Yu W., Pan W., Medlin D.L., Rodriguez M.A., Lee S.R., Bao Z.Q., Zhang F. T. and 4π Josephson Effects Mediated by a Dirac Semimetal // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. 177704. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.177704
  8. 8. Ali M.N., Gibson Q., Jeon S., Zhou B.B., Yazdani A., Cava R.J. The crystal and electronic structures of CdAs, the three-dimensional electronic analogue of graphene // Inorg. Chem. 2014. V. 53. P. 4062–4067. https://doi.org/10.1021/ie403163d
  9. 9. He L.P., Hong X.C., Dong J.K., Pan J., Zhang Z., Zhang J., Li S.Y. Quantum transport evidence for the three-dimensional Dirac semimetal phase in CdAs // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. 246402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.246402
  10. 10. Lv B.Q., Qian T., Ding H. Experimental perspective on three-dimensional topological semimetals // Rev. Mod. Phys. 2021. V. 93. 025002. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.025002
  11. 11. Bernevig B., Felser C., Beidenkopf H. Progress and prospects in magnetic topological materials // Nature. 2022. V. 603. P. 41–51. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04105-x
  12. 12. Deng M.-X., Luo W., Wang R.-Q., Sheng L., Xing D.Y. Weyl semimetal induced from a Dirac semimetal by magnetic doping // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 155141–155147. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155141
  13. 13. Neupane M., Xu S.-Y., Sankar R., Alidoust N., Bian G., Liu C., Belopolski I., Lin H., Bansil A., Chou F., Hasan M.Z., Chang T.-R., Jeng H.-T. Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility CdAs // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 3786–3793. https://doi.org/10.1038/ncomms4786
  14. 14. Liu Z.K., Jiang J., Zhou B., Wang Z.J., Zhang Y., Weng H.M. et al. A stable three-dimensional topological Dirac semimetal CdAs // Nat. Mater. 2014. V. 13. P. 677–681. https://doi.org/10.1038/nmat3990
  15. 15. Wang He, Wang H., Liu H., Lu H., Yang W., Jia S., Liu X.-J., Xie X.C., Wei J., Wang J. Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal CdAs crystals // Nat. Mater. 2015. V. 15. No. 1. P. 38–42. https://doi.org/10.1038/nmat4456
  16. 16. Lu W., Ge S.F., Liu X.F., Lu H., Li C.Z., Lai J.W., Zhao C.A., Liao Z.M., Jia S., Sun D. Ultrafast relaxation dynamics of photoexcited Dirac fermions in the three-dimensional Dirac semimetal CdAs // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. 024303. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.024303
  17. 17. Jin H., Dai Y., Ma Y.-D., Li X.-R., Wei W., Yua L., Huang B.-B. The electronic and magnetic properties of transition-metal element doped three-dimensional topological Dirac semimetal in CdAs // J. Mater. Chem. C2015. V. 3. No 15. P. 3547–3551. https://doi.org/10.1039/C4TC02609H
  18. 18. Guo J., Zhao X., Sun N., Xiao X., Liu W., Zhang Z. Tunable quantum Shubnikov-de Haas oscillations in antiferromagnetic topological semimetal Mn-doped CdAs // J. Mater. Sci. Tech. 2021. V. 76. P. 247–253. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.023
  19. 19. Kulatov E.T., Uspenskii Yu.A., Oveshnikov L.N., Mekhiya A.B., Davydov A.B., Ril' A.I., Mazenkin S.F., Aronzon B.A. Electronic, magnetic and magnetotransport properties of Mn-doped Dirac semimetal CdAs // Acta Materialia. 2021. V. 219. P. 117249–117258. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117249
  20. 20. Yuan X., Cheng P., Zhang L., Zhang C., Wang J., Sun Q., Zhou P., Zhang D.W., Hu Z., Wan X., Yan H., Li Z., Xiu F., Liu Y. Direct observation of Landau level resonance and mass generation in Dirac semimetal CdAs // Nano Lett. 2017. V. 17. P. 2211–2219. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04778
  21. 21. Liu Y., Tiwari R., Narayan A., Jin Z., Yuan X., Zhang C., Chen F., Li L., Xia Z., Sanvito S., Zhou P., Xiu F. Cr doping induced negative transverse magnetoresistance in CdAs thin films // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. No. 8. 085303. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.085303
  22. 22. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 16. P. 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
  23. 23. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  24. 24. Wang Y., Xu N., Liu J.C., Tang G., Geng W.T. VASPKIT: A User-Friendly Interface Facilitating High-Throughput Computing and Analysis Using VASP Code // Computer Physics Communications. 2021. V. 267. P. 108033–108051. https://doi.org/10.17632/v3bvcypg9v.1
  25. 25. Stoner E.C. Collective electron ferromagnetism // Proc. Roy. Soc. London A. 1938. V. 165. № 922. P. 372–414. https://doi:10.1098/rspa.1938.0066
  26. 26. Kramers H.A. L’interaction entre les atomes magnétiques dans un cristal paramagnétique // Physica. 1934. V. 1. P. 182–192. https://doi.org/10.1016/S0031-8914 (34)90023-9
  27. 27. Anderson P.W. Antiferromagnetism. Theory of superexchange interaction // Phys. Rev. 1950. V. 79. P. 350–356. https://doi.org/10.1103/PhysRev.79.350
  28. 28. Zener C. Interaction between the d-shells in the transition metals. II. Ferromagnetic compounds of manganese with Perovskite structure // Phys. Rev. 1951. V. 82. P. 403–405. https://doi.org/10.1103/PhysRev.82.403
  29. 29. Anderson P.W., Hasegawa H. Considerations on double exchange // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 675–681. https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.675
  30. 30. Kulatov E., Uspenskii Y., Mariette H., Cibert J., Ferrand D., Nakayama H., Ohta H. Ab initio study of magnetism in III–V- and II–VI-based diluted magnetic semiconductors // J. Supercond. Nov. Magn. 2003. V. 16. P. 123–126. https://doi.org/10.1023/A:1023209423446
  31. 31. Uspenskii Yu., Kulatov E., Mariette H., Nakayama H., Ohta H. Ab initio study of the magnetism in GaAs, GaN, ZnO, and ZnTe–based diluted magnetic semiconductors // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 258–259. P. 248–250. https://doi.org/10.1016/S0304-8853 (02)01033-8
  32. 32. Uspenskii Yu.A., Kulatov E.T. Ab initio calculation and analysis of the properties of digital magnetic heterostructures and diluted magnetic semiconductors of IV and III–V groups // J. Magn. Magn. Mater. 2009. V. 321. P. 931–934. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2008.11.057
  33. 33. Celinski Z., Burlan A., Rzepa B., Zdanowicz W. Preparation, structure and magnetic properties of (CdMn)As crystals // Mat. Res. Bull. 1987. V. 22. № 3. P. 419–426. https://doi.org/10.1016/0025-5408 (87)90061-4
  34. 34. Denissen C.J.M., Nishihara H., Nouwens P.A.M., Kopinga K., de Jonge W.J.M. Spin glass behavior of (CdMn)As // J. Magn. Magn. Mater. 1986. V. 54–57. № 3. P. 1291–1292. https://doi.org/10.1016/0304-8853 (86)90823-1
  35. 35. Denissen C.J.M., Nishihara H., van Gool J.C., de Jonge W.J.M. Magnetic behavior of the semimagnetic semiconductor (CdMn)As // Phys. Rev. B. 1986. V. 33. № 11. P. 7637–7646. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.33.7637
  36. 36. Kulatov E.T., Uspenskii Yu.A., Kugel K.I. Non-trivial evolution of the Dirac cone in chromium doped Dirac semimetal CdAs // J. Phys. Chem. Solids. 2024. V. 194. 112215. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112215
  37. 37. Ril' A.I., Oveshnikov L.N., Ovcharov A.V., Marenkin S.F. Synthesis and phase composition of CdAs Dirac semimetal crystals doped with Cr // Vacuum. 2024. V. 230. 113692. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2024.113692
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека