[論文レビュー] Anomalous magnetoresistance in TaAs$_2$

Yongkang Luo, R. McDonald+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ディラック粒子やワイルフェルミオンを有さないにもかかわらず、半金属的TaAs₂において、3 Tおよび低温下で−98%という巨額の負の磁気抵抗が報告されている。密度汎関数理論を用いて、著者たちはTaAs₂が非自明なZ₂不変量(0;111)を持つ新しいトポロジカル半金属であると特定し、磁気抵抗の負の寄与がアドラー＝ベル＝ジャッキーウィの異常によってのみ説明できるわけではないことを示している。

ABSTRACT

The resistance of a metal in a magnetic field can be very illuminating about its ground state. Some famous examples include the integer and fractional quantum Hall effects\cite{Klitzing-QHE,Tsui-FQHE}, Shubnikov-de Haas oscillations\cite{SdH}, and weak localization\cite{Lee-WL} \emph{et al}. In non-interacting metals the resistance typically increases upon the application of a magnetic field\cite{Pippard-MR}. In contrast, in some special circumstances metals, with anisotropic Fermi surfaces\cite{Kikugawa-PdCoO2LMR} or a so-called Weyl semimetal for instance\cite{Nielsen-ABJ,Son-ChirAnom}, may have negative magnetoresistance. Here we show that semimetallic TaAs$_2$ possesses a gigantic negative magnetoresistance ($-$98\% in a field of 3 T at low temperatures), with an unknown mechanism. Density functional calculations illustrate that TaAs$_2$ is a new topological semimetal [$\mathbb{Z}_2$ invariant (0;111)] without a Dirac dispersion. This demonstrates that the presence of negative magnetoresistance in non-magnetic semimetals cannot be uniquely attributed to the Adler-Bell-Jackiw anomaly of bulk Dirac/Weyl fermions. Our results also imply that the OsGe$_2$-type monoclinic dipnictides are likely a material basis where unconventional topological semimetals may be found.

研究の動機と目的

• TaAs₂という非磁性半金属における巨大負磁気抵抗の起源を調査すること。
• 観測された負磁気抵抗が、ワイルフェルミオンに関連するアドラー＝ベル＝ジャッキーウィ異常によって生じるかどうかを特定すること。
• 第一原理計算を用いてTaAs₂の電子状態を分類し、そのトポロジカル性質を同定すること。
• 非磁性半金属としてのOsGe₂型モノクロイック二pnictidesが、非代替的トポロジカル半金属の候補として有効であるかを検討すること。

提案手法

• 変動磁場および温度条件下でのTaAs₂における磁気抵抗を測定するための輸送測定を実施する。
• 電子バンド構造およびトポロジカル不変量を決定するため、密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• Z₂不変量(0;111)の計算により、TaAs₂をトポロジカル半金属として分類する。
• フェルミ面の位相構造および電子分散の分析により、ディラックまたはワイルノードの存在を除外する。
• 弱局在およびキラル異常効果の理論的モデルと、観測された磁気抵抗挙動を比較分析する。
• 対称性解析を用いて、結晶構造がトポロジカル状態を安定化させる役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラック粒子やワイルフェルミオンを有さないTaAs₂において、巨大負磁気抵抗の原因は何か？
• RQ2 TaAs₂における観測された負磁気抵抗は、アドラー＝ベル＝ジャッキーウィ異常と整合的か？
• RQ3 Z₂不変量およびバンド構造に基づいて、TaAs₂のトポロジカル性質は何か？
• RQ4 ワイルフェルミオンでもディラックフェルミオンでもない半金属が、大きな負磁気抵抗を示せるか？
• RQ5 OsGe₂型モノクロイック二pnictidesは、非代替的トポロジカル半金属の優れた候補であるか？

主な発見

• TaAs₂は、3 Tおよび低温下で−98%という巨額の負磁気抵抗を示しており、散乱の強い磁場誘発抑制を示している。
• 密度汎関数理論計算により、ディラック粒子やワイルフェルミオンが存在しないにもかかわらず、TaAs₂が非自明なZ₂不変量(0;111)を持つトポロジカル半金属であることが確認された。
• 負磁気抵抗は、アドラー＝ベル＝ジャッキーウィ異常によって説明できない。なぜなら、系に体積的キラルフェルミオンが存在しないからである。
• 巨大負磁気抵抗のメカニズムは未解明であり、キラル異常を越える新しい物理が存在することを示唆している。
• OsGe₂型モノクロイック二pnictidesは、非代替的トポロジカル半金属を発見するための有望なプラットフォームであると同定された。
• これらの結果は、ワイルフェルミオンやディラックフェルミオンの挙動とは独立して、特異な輸送応答を示すトポロジカル半金属が存在しうることを示唆している。