Single crystal growth and physical properties of the chiral semimetal CeIrSi

Abstract

Weyl-Kondo-Semimetalle sind Materialien, in denen starke Elektronenkorrelationen und nicht-triviale elektronische Topologie kombiniert sind. In diesen Materialien haben die Quasiteilchen– Weyl-Fermionen– eine lineare Dispersion, was sie zu einem Analogon relativistischer masseloser Teilchen macht. Potentielle Materialien müssen eine Kristallstruktur mit gebrochener Inversionssymmetrie oder Zeitumkehrsymmetrie aufweisen. In Kristallen mit noch geringerer Symmetrie, insbesondere in chiralen Kristallen, werden neue Facetten der Weyl-Fermionenphysik erwartet. Ein Kandidat für ein Kramers Weyl Kondo Semimetall, CeIrSi, wurde aufgrund seiner chiralen Struktur P213 (SG 198), starken Spin-Bahn-Kopplung und Hinweise starker Elektronenkorrelationen in der Wärmekapazität gefunden. Hochwertige, stöchiometrische Einkristalle wurden erfolgreich mittels der optischen Floating-Zone-Methode gezüchtet und anschließend für Magnetisierungsmessungen (bis 6T), Wärmekapazitätsmessungen sowie elektrische Transportmessungen (bis 12T) entlang der kristallographischen Richtungen [100] und [110] im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 2K verwendet. Wärmekapazitätsmessungen offenbaren einen erhöhten Sommerfeld-Koeffizienten, der auf ausgeprägte elektronische Korrelationen hindeutet. Gleichzeitig zeigt der Widerstand ein deutlich anisotropes Verhalten: Entlang der Richtung [100] tritt semimetallisches Verhalten auf, während entlang [110] ein halbleitendes Verhalten beobachtet wird. Das Material ist bis 8K paramagnetisch, jedoch sind im Gegensatz zur Literatur, die es als nicht-magnetisch beschreibt, mindestens drei verschiedene magnetisch geordnete Phasen unterhalb von 8K zu beobachten. Bei Magnetfeldern über 3.7T verhält sich die Verbindung wie ein gesättigter Ferromagnet. Unterhalb dieses Feldes treten zwei verschiedene magnetische Phasen mit ferromagnetischen Anteilen auf, möglicherweise konischer oder helikaler Natur, deren genaue Struktur jedoch ohne weitere Untersuchungen nicht eindeutig identifiziert werden können. Hall Effekt Messungen im Bereich von 2K bis 8K zeigen einen starken nichtlinearen Beitrag, der nicht einfach den intrinsischen Effekten der Berry Krümmung zugeordnet werden kann. Er könnte auch durch den anomalen Hall Effekt aufgrund komplexer magnetischer Ordnung bei niedrigen Temperaturen entstehen. Folglich sind weitere Messungen erforderlich, um die komplexe magnetische Ordnung zu klären und die topologischen Beiträge zum starken nichtlinearen Hall-Effekt zu bestimmen.

Weyl-Kondo semimetals are materials in which strong electron correlations and non-trivial electronic topology are combined. In these materials, the quasiparticles- Weyl fermions have a linear dispersion relation, making them an analogue of relativistic massless particles. Candidate materials must have a crystal structure with broken inversion symmetry or time-reversal symmetry. New aspects of Weyl fermion physics are expected in crystals of even lower symmetry, in chiral crystals. A candidate for Kramers-Weyl-Kondo semimetal CeIrSi was found based on its chiral structure P213 (SG 198), strong spin-orbit coupling and signatures of strong electron correlations in heat capacity. Pure single crystals with high stoichiometry were grown successfully using the optical floating zone method and used for magnetization (up to 6T), heat capacity, and electrical transport (up to 12T) measurements along the crystallographic directions of [100] and [110]. Heat capacity measurements revealed an enhanced Sommerfeld coefficient, indicating strong electronic correlations, while resistivity exhibited a strong anisotropic behaviour, showing semimetallic character along [100] and semiconducting behaviour along [110]. The material is paramagnetic down to 8K, however, in contrast to the literature, which reports it as non-magnetic, at least three different magnetically ordered phases are observed below 8K. At magnetic fields above 3.7T, the compound behaves like a saturated ferromagnet. Below this field, two different magnetic phases with ferromagnetic features appear, possibly conical or helical in nature, but their exact structure is still unclear and requires further investigation. Hall effect measurements between 2K and 8K show a strong nonlinear contribution, which cannot be easily attributed to intrinsic effects from a Weyl node. It may arise from the anomalous Hall effect due to complex magnetic ordering at low temperatures. Therefore, further measurements are needed to clarify the complex magnetic ordering and to determine the topological contributions to the strong non-linear Hall effect.