[論文レビュー] Butterfly Magnetoresistance, Quasi-2D Dirac Fermi Surfaces, and a Topological Phase Transition in ZrSiS

Mazhar N. Ali, Leslie M. Schoop+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、準二次元的ディラックフェルミ表面を有するディラック半金属ZrSiSにおいて、角度に依存するトポロジカルな相転移によって駆動される、新しいバタフライ型の角度依存磁気抵抗が報告されている。この相転移は、約80°でベリー位相がπから自明なものに急激に変化することによって特徴づけられ、3次元ポケットの寄与にもかかわらず安定しており、90°付近に顕著な抵抗の谷が現れ、2次元-3次元ディラックハイブリッド系におけるトポロジカル輸送現象の新たなクラスを明らかにしている。

ABSTRACT

Magnetoresistance (MR), the change of a material's electrical resistance in response to an applied magnetic field, is a technologically important property that has been the topic of intense study for more than a quarter century. Here we report the observation of an unusual "butterfly" shaped titanic angular magnetoresistance (AMR) in the non-magnetic, Dirac material, ZrSiS. The MR is large and positive, reaching nearly 1.8 x 10^5 percent at 9 T and 2 K at an angle of 45o between the applied current (along the a-axis) and the applied field (90o is H parallel to the c-axis). Approaching 90o, a "dip" is seen in the AMR which can be traced to an angle dependent deviation from the H^2 law. By analyzing the SdH oscillations at different angles, we find that ZrSiS has a combination of 2D and 3D Dirac pockets comprising its Fermi surface and that the anomalous transport behavior coincides with a topological phase transition whose robust signature is evident despite transport contributions from other parts of the Fermi surface. We also find that as a function of angle, the temperature dependent resistivity in high field displays a broad peak-like behavior, unlike any known Dirac/Weyl material. The combination of very high mobility carriers and multiple Fermi surfaces in ZrSiS allow for large bulk property changes to occur as a function of angle between applied fields makes it a promising platform to study the physics stemming from the coexistence of 2D and 3D Dirac electrons.

研究の動機と目的

• ZrSiSにおける非磁性ディラック半金属としての準二次元的フェルミ表面を有する場合の、非典型な角度依存磁気抵抗の起源を解明すること。
• 観測されたバタフライ型磁気抵抗が、フェルミ表面の幾何構造に関連するトポロジカル相転移に起因するかどうかを特定すること。
• 角度依存輸送および量子振動測定を用いて、ZrSiSにおける2次元および3次元ディラックポケットの相互作用を解明すること。
• 磁場方向の変化に伴うベリー位相の進化が、トポロジカル転移をどのように示すかを同定すること。
• 他のディラック／ワイル材料に見られない、高磁場下における温度依存抵抗の広いピーク状の特徴が、どのようにして現れるかを理解すること。

提案手法

• 電流をa軸に沿わせ、磁場をc軸から電流方向（0°から90°）に傾けて、角度依存磁気抵抗（AMR）測定を実施した。
• 複数の角度でSdH振動解析を実施し、極値軌道を同定し、フェルミ表面トポロジーやベリー位相を抽出した。
• Lifshitz-Kosevich式にデータをフィットさせ、位相差δおよびベリー位相γを抽出した。関係式 |γ - δ| = |1/2 - φ_B/(2π) - δ| を用いた。
• 1/cos(θ)フィッティングを用いてフェルミ表面ポケットの2次元／3次元的性質を評価し、理想的な1/cosからの逸脱が3次元的性質を示すものとした。
• wien2kを用いたDFT計算を実施し、FP-LAPW + lo基底関数とPBE-GGA汎関数を用いて電子構造およびフェルミ表面トポロジ一をモデル化した。
• 機械的に薄くした（70 µm）単結晶を用い、4端子プローブおよびACロックイン技術を用いた高精度輸送測定により、ノイズを最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrSiSにおけるバタフライ型の角度依存磁気抵抗の原因は何か？ これは通常の3次元フェルミ表面応答とはどのように異なるか？
• RQ2 90°付近の磁気抵抗の谷は、H²から線形項を加えたH²ハイブリッド挙動への変化に対応しているか？
• RQ3 磁場方向を変化させた際、ZrSiSにトポロジカル相転移の証拠があるか？ その信号はベリー位相によってどのように示されるか？
• RQ4 なぜZrSiSは他のディラック／ワイル材料とは異なり、高磁場下で温度依存抵抗に広いピーク状の特徴を示すのか？
• RQ5 ZrSiSに共存する2次元および3次元ディラックポケットが、輸送および量子振動の角度依存性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• バタフライ型の角度依存磁気抵抗が観測され、9 T、2 Kでほぼ1.8 × 10⁵%のピークMRを示し、電流（a軸）と磁場の間で45°でピークを示した。
• 85°から90°の角度領域に顕著な磁気抵抗の谷が現れ、これは磁場依存性がH²から線形項を加えたH²ハイブリッド挙動に変わることに対応した。
• 243 TのSdHピークは角度に応じて1/cos(θ)に従ったシフトを示し、a = 0.81であった。これは準2次元的フェルミ表面であり、完全な2次元的挙動からの逸脱を示している。
• 23 TのSdHピークには角度依存のシフトが認められず、3次元的かつ高々性のフェルミ表面軌道であることを確認した。
• 85°から95°の範囲で、243 Tの軌道はπのベリー位相を示し、|γ - δ| ≈ 0であった。これは非自明なトポロジの存在を示している。
• 80°で|γ - δ|は急激に0.32に増加し、自明なトポロジへの急激な転移を示しており、分解された振動波形における明著な位相差シフトによって裏付けられた。