[論文レビュー] A novel electron-hole compensation effect in NbAs

Yongkang Luo, N. Ghimire+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、角度依存SdH量子振動を用いてNbAsにおける新しい電子-正孔補償効果を特定し、2つの異なるフェルミ面ポケットを明らかにした。そのうち、ベリー位相π、有効質量~0.033$m_0$を示すトポロジカルに非自明なβポケットと、ベリー位相0、質量~0.066$m_0$を示す自明なαポケットが存在する。ワイルノードは化学ポテンシャルから110.5 meV上に位置しており、補償効果に起因する特異な磁気輸送特性が顕著に現れている。

ABSTRACT

Via angular Shubnikov-de Hass (SdH) quantum oscillations measurements, we determine the Fermi surface topology of NbAs, a Weyl semimetal candidate. The SdH oscillations consist of two frequencies, corresponding to two Fermi surface extrema: 20.8 T ($\alpha$-pocket) and 15.6 T ($\beta$-pocket). The analysis, including a Landau fan plot, shows that the $\beta$-pocket has a Berry phase of $\pi$ and a small effective mass $\sim$0.033 $m_0$, indicative of a nontrivial topology in momentum space; whereas the $\alpha$-pocket has a trivial Berry phase of 0 and a heavier effective mass $\sim$0.066 $m_0$. From the effective mass and the $\beta$-pocket frequency we determine that the Weyl node is 110.5 meV from the chemical potential. A novel electron-hole compensation effect is discussed in this system, and its impact on magneto-transport properties is addressed. The difference between NbAs and other monopnictide Weyl semimetals is also discussed.

研究の動機と目的

• Weyl半金属候補であるNbAsのフェルミ面トポロジーを、角度依存SdH量子振動を用いて特定すること。
• ベリー位相と有効質量の分析を通じて、フェルミ面ポケットのトポロジカル性を調査すること。
• 電子-正孔補償がNbAsにおける磁気輸送特性に与える影響を調査すること。
• 他のモノパントサイドWeyl半金属と比較し、NbAsが示す特徴的な電子的挙動を明らかにすること。

提案手法

• フェルミ面極値面積を抽出するために、角度依存SdH量子振動測定を実施する。
• ランダウファンプロット解析を実行し、各フェルミ面ポケットの有効質量およびベリー位相を決定する。
• 振動周波数（αポケット：20.8 T、βポケット：15.6 T）を用いて、フェルミ面の極値断面積を推定する。
• 有効質量と振動周波数の関係を適用し、ワイルノードが化学ポテンシャルに対してどの程度のエネルギーに位置するかを推定する。
• 量子振動におけるπベリー位相の有無を用いて、トポロジカル特性を分析する。
• 他のモノパントサイドWeyl半金属と比較して、NbAsの電子構造に特徴的な点（例：電子-正孔補償）を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 角度依存SdH振動によって明らかにされたNbAsのフェルミ面トポロジーは何か？
• RQ2 ベリー位相と有効質量から示されるNbAsのβポケットのトポロジカル性は何か？
• RQ3 電子-正孔補償はNbAsの磁気輸送応答にどのように影響するか？
• RQ4 NbAsにおけるワイルノードは化学ポテンシャルに対してどの位置にあるか？
• RQ5 フェルミ面および補償効果の観点から、NbAsは他のモノパントサイドWeyl半金属とどのように異なっているか？

主な発見

• NbAsは2つの異なるフェルミ面ポケットを示す：20.8 Tで観測されるαポケットは自明なベリー位相0と有効質量~0.066$m_0$を示す。
• 15.6 Tで観測されるβポケットは非自明なベリー位相πと軽い有効質量~0.033$m_0$を示し、そのトポロジカル性が確認された。
• ワイルノードは化学ポテンシャルから110.5 meV上に位置しており、βポケットの有効質量と周波数から導出されたものである。
• 本研究では、磁気輸送特性に顕著な影響を及ぼす新しい電子-正孔補償効果が同定された。
• NbAsにおける補償機構は、他のモノパントサイドWeyl半金属とは異なり、特異な電子的挙動を示している。