[論文レビュー] Chiral anomaly induced negative magnetoresistance in topological Weyl semimetal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 55

ひとこと要約

本研究では、平行な電場と磁場の下でトポロジカル・ウェイル半金属NbAsにおいて、キラル異常によって誘発される負の磁気抵抗（MR）を報告し、ウェイルフェルミオンの量子輸送を実証した。Nbの質量はTaより軽いが、NbAsはNbPよりも強いスピン軌道結合を示しており、低場で正のMRの谷が観測され、負のMRと競合している。これは、ウェイル半金属におけるスピン軌道結合にヒ素（As）が顕著に寄与していることを示唆している。

ABSTRACT

In this paper, we report the intercone transport of Weyl fermions in NbAs with external magnetic field in parallel to electric field, a quantum phenomenon known as the Adler-Bell-Jackiw anomaly. Surprisingly, the resulting negative magnetoresistance (MR) in NbAs shows significant difference from NbP. The observed low-field positive MR dip, which is missing in NbP at low temperatures, indicates that the spin-orbital coupling (SOC) is significantly stronger in NbAs than in the former. The results imply that the contribution of arsenic to SOC in TaAs and NbAs is not negligible.

研究の動機と目的

• 平行な電場と磁場の下でのNbAsにおけるウェイルフェルミオンの量子輸送の兆候を調査すること。
• スピン軌道結合（SOC）がNbAsにおいてNbPおよびTaAsと比べて果たす役割、特にキラル異常効果に関連して調査すること。
• 軽い原子量を示すAsが、ウェイル半金属におけるスピン軌道結合に顕著に寄与しているかどうかを特定すること。
• キラル異常による負のMRとSOCに起因する正のMRの谷が競合する現象を示す、NbAsを研究プラットフォームとして確立すること。
• シュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動を用いて、NbAsにおける非自明なベリー位相およびランダウ準位の量子化の実験的証明を提供すること。

提案手法

• 単結晶NbAsはヨウ素を輸送剤として用いた蒸気輸送法により成長させ、化学 stoichiometry および純度をエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）で確認した。
• 高品質な単結晶はX線回折およびロッキングカーブ測定により特徴付けられ、半値全幅（FWHM）が0.03°であった。これは優れた結晶性を示している。
• 電流方向に対して磁場をさまざまな角度に設定し、六端子法を用いて縦方向抵抗率および横方向ホール抵抗を測定した。
• 磁気抵抗（MR）は [ρ(H) − ρ(0)]/ρ(0) として抽出され、場磁界依存性および温度依存性の両方を分析した。平行（θ = 0°）および垂直（θ = 90°）の磁場配置を含めた。
• シュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動は、抵抗率データから多項式バックグラウンドを差し引くことで抽出され、ランダウ準位の番号は1/B依存性から決定した。
• オンサッガー則およびリフシッツ＝オンサッガーの量子化則を適用し、SdH振動データからフェルミ面断面積およびベリー位相を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測どおり、ウェイル半金属としての性質を示すNbAsは、平行な電場と磁場の下でキラル異常による負の磁気抵抗を示すか？
• RQ2 Nbの質量がTaより軽いにもかかわらず、NbAsにおけるスピン軌道結合の強さはNbPと比べてどうか？
• RQ3 As原子が、NbAs や TaAs などのウェイル半金属におけるスピン軌道結合に果たす役割は何か？
• RQ4 SdH振動を用いて、NbAsにおける非自明なベリー位相およびランダウ準位の量子化を実験的に確認できるか？
• RQ5 なぜNbAsでは低温でNbPに観測されない低場での正のMRの谷が観測されるのか？これは電子構造に何を示唆するか？

主な発見

• 磁場を電流と平行にした場合、NbAsは最大-20%のキラル異常誘発負の磁気抵抗を示し、この材料におけるウェイルフェルミオンの量子輸送の直接的実験的証明を初めて得た。
• 2 Kで0.5 T未満の低場で正のMRの谷が観測され、これは低温でNbPに観測されない。このことは、NbAsはNbPよりも顕著に強いスピン軌道結合を有していることを示している。
• シュービニコフ＝ド・ハース振動から、非自明なπのベリー位相（β = 1/2）と位相シフトδ = 0.119が得られ、ウェイルノードを囲む電子パッチと整合的である。
• 振動周波数から計算されたフェルミ面断面積は2.38 × 10⁻³ Å⁻²であり、明確に定義されたフェルミ面パッチの存在を確認した。
• 縦方向抵抗率は、磁場の下で金属的から絶縁体的挙動への遷移を示し、抵抗率の異常ピークが磁場の増加に伴い高温度にシフトした。
• 垂直磁場下では、量子限界に達していないにもかかわらず、300 K、7 Tで最大170%の線形磁気抵抗が観測された。これは3次元的相対論的電子構造を示唆している。