[論文レビュー] Anisotropic Fermi surface probed by the de Haas-van Alphen oscillation in proposed Dirac Semimetal TaSb$_{2}$

Arnab Pariari, Ratnadwip Singha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、TaSb₂単結晶におけるde Haas-van Alphen (dHvA) 振動を用いて、異方性のあるフェルミ面を調査し、磁場を異なる結晶学的方向に回転させた際、3つの電子型フェルミポケットが明確に異なる断面積を示すことを明らかにした。磁気抵抗の異方性は、準粒子の散乱時間の差に起因し、磁場を75°から165°に回転させることで、磁気抵抗は約20,000%から約9,500%に減少し、電子輸送における強い方向依存性が確認された。

ABSTRACT

TaSb$_{2}$ has been predicted theoretically and proposed through magnetotransport experiment to be a topological semimetal. In earlier reports, the Shubnikov-de Haas oscillation has been analyzed to probe the Fermi surface, with magnetic field along a particular crystallographic axis only. By employing a sample rotator, we reveal highly anisotropic transverse magnetoresistance by rotating the magnetic field along different crystallographic directions. To probe the anisotropy in the Fermi surface, we have performed magnetization measurements and detected strong de Haas-van Alphen (dHvA) oscillations for the magnetic field applied along extbf{b} and extbf{c} axes as well as perpendicular to extbf{bc} plane of the crystals. Three Fermi pockets have been identified by analyzing the dHvA oscillations. Hall measurement reveals electron as the only charge carrier, i.e., all the three Fermi pockets are electron type. With the application of magnetic field along different crystal directions, the cross sectional areas of the Fermi pockets have been found significantly different. Other physical parameters, such as the effective mass of the charge carrier and Fermi velocity have also been calculated using the Lifshitz-Kosevich formula.

研究の動機と目的

• Dirac 半金属と予想される TaSb₂ における異方性フェルミ面を、量子振動測定を用いて調査すること。
• 磁気抵抗の方向依存性を特定し、フェルミ面幾何学と関連付けること。
• 異なる結晶学的軸に沿った de Haas-van Alphen 振動を用いて、複数のフェルミポケットを同定・特徴付けること。
• 散乱時間および有効質量の異方性が、横磁気抵抗異方性を説明する上で果たす役割を明らかにすること。
• 従来の単一軸測定を超えて、フェルミ面の異方性を解明することで、TaSb₂ のトポロジカル性を明確に裏付ける証拠を提供すること。

提案手法

• フェルミ面の異方性を調査するため、磁場を結晶学的軸 b、c、および (c×b) 方向に回転させて磁化測定を実施した。
• de Haas-van Alphen (dHvA) 振動解析を実施し、フェルミ面断面積、有効質量、フェルミ速度を抽出した。
• 熱的減衰のフィッティングに Lifshitz-Kosevich 公式を適用し、有効質量やフェルミ速度などの物理的パラメータを抽出した。
• dHvA データの高速フーリエ変換 (FFT) を用いて、3つのフェルミポケットに対応する明確に分離された3つの振動周波数を同定した。
• 磁場の方向を変化させながら2 Kで横磁気抵抗を測定し、異方性がフェルミ面幾何学とどのように関連するかを相関させた。
• 全フェルミポケットにわたる電子型キャリアを確認するため、ホール測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaSb₂ のフェルミ面は、印加磁場の方向に依存してどのように変化するか？
• RQ2 TaSb₂ で観測された大きな横磁気抵抗の異方性の原因は何か？
• RQ3 TaSb₂ には複数のフェルミポケットが存在するのか？ また、それらの断面積は異なる結晶学的方向でどのように異なるか？
• RQ4 準粒子の散乱時間は、磁気抵抗の異方性にどの程度寄与しているか？
• RQ5 dHvA 振動は、特にその予想される Dirac 半金属的性質を考慮して、TaSb₂ のフェルミ面トポロジーを明確に解明できるか？

主な発見

• 磁場を c 軸に沿って印加した際、dHvA 振動により3つの明確なフェルミポケットが同定され、それぞれの振動周波数は 372 T、417 T、454 T であった。
• 3つのポケットのフェルミ面断面積はほぼ同等であり、それぞれ 35.2、39.3、51.4 ×10⁻² Å⁻² であった。
• 主要ピーク（372 T）に対応するキャリアの有効質量は 0.31 m₀ であり、フェルミ速度は 3.9×10⁵ m/s であった。
• 横磁気抵抗は、磁場方向を θ = 75° から θ = 165° に回転させることで、9 T および 2 K の条件下で約20,000%から約9,500%に減少し、強い異方性が示された。
• 磁気抵抗の異方性は主に、準粒子の散乱時間の差に起因し、(c×b) 方向ではフェルミ面断面積が小さいため、散乱時間が長くなる。
• ホール測定により、全3つのフェルミポケットが電子型であることが確認され、TaSb₂ が電子ドーピングされた性質を示すことが裏付けられた。