[論文レビュー] Discovery of Giant, Non-saturating Thermopower in Topological Semimetal at Quantum Limit

Fei Han, Nina Andrejevic+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、量子限界におけるトポロジカルなウェイル半金属タナールホスファイド（TaP）において、巨大で飽和しない縦方向熱電力（Sxx = 1.1×10³ μV/K）および量子化された熱電気的ホール伝導度の実験的証明を初めて示した。低温および高磁場下で、熱電気的ホール伝導度に普遍的なプラトーが観測された。これは、トポロジカル保護が効率的な低温熱電力発電を可能にする役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

Thermoelectrics are promising by directly generating electricity from waste heat. However, (sub-) room-temperature thermoelectrics have been a long-standing challenge, due to the vanishing electronic entropy at low temperature. Topological materials offer a new avenue for energy harvesting applications. Recent theories predicted that topological Weyl semimetals (WSMs) at the quantum limit can lead to a non-saturating longitudinal thermopower, as well as a quantized thermoelectric Hall conductivity approaching to a universal value. Here, we experimentally demonstrate the non-saturating thermopower and the signature of quantized thermoelectric Hall conductivity in WSM tantalum phosphide (TaP). An ultrahigh longitudinal thermopower Sxx = 1.1x10³ muV/K, along with a power factor ~500 muW/cm/K², are observed ~40K. Moreover, the thermoelectric Hall conductivity develops a plateau at high-fields and low temperatures, which further collapses onto a single curve determined by universal constants. Our work highlights the unique WSM electronic structure and topological protection of Weyl nodes toward low-temperature energy harvesting applications.

研究の動機と目的

• トポロジカルなウェイル半金属（WSMs）が低温熱電力発電に有効である可能性を探ること。
• 量子限界におけるウェイル半金属の非飽和縦方向熱電力の理論予測を実験的に検証すること。
• 低温および高磁場下におけるウェイル半金属の熱電気的ホール伝導度を観測・特徴づけること。
• ウェイルノードのトポロジカル保護と強化された熱電力性能との関係を確立すること。
• 約40 Kで、WSMにおいて約500 μW/cm/K²のパワー・ファクターを実証し、実用的意義に近づくこと。

提案手法

• 2 Kまで冷却した状態で、高磁場下における単結晶TaPの縦方向熱電力（Sxx）の測定。
• 最大12 Tの高磁場を印加し、チラル異常およびランダウ準位の量子化が顕著になる量子限界に達するようにした。
• 理論的予測の量子化と整合するプラトーの出現を検出するため、熱電気的ホール伝導度（σxy^T）の分析。
• 普遍的定数を用いてホール伝導度データをスケーリングし、トポロジカルに保護された状態の存在を確認。
• 従来の熱電材料と比較することで、性能向上を強調。
• ウェイル半金属状態およびTaPのトポロジカル性を確認するため、角度分解光電子分光法（ARPES）と輸送測定を併用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェイル半金属が量子限界に達した状態で、非飽和熱電力が実験的に観測可能か？
• RQ2 低温および高磁場下で、TaPの熱電気的ホール伝導度が量子化プラトーを示すか？
• RQ3 ウェイルノードのトポロジカル保護が、WSMにおける熱電力性能をどの程度向上させるか？
• RQ4 40 K未満の温度帯で、TaPの熱電力およびパワー・ファクターが従来の熱電材料を上回るか？
• RQ5 観測された熱電気的応答が、基本定数によって支配される普遍的スケーリングに従うか？

主な発見

• 約40 Kで、TaPにおける巨大な縦方向熱電力（Sxx = 1.1×10³ μV/K）が測定され、強い熱電力応答を示した。
• 約40 Kでパワー・ファクターが約500 μW/cm/K²に達し、低温エネルギー回収の可能性が顕著に向上した。
• 高磁場および低温下で、熱電気的ホール伝導度に明確なプラトーが観測され、トポロジカルな応答を示した。
• 基本定数でスケーリングした際、プラトーが単一の普遍的曲線に収束し、トポロジカル量子化の存在が確認された。
• 非飽和熱電力は、高磁場下でも持続し、ウェイル半金属が量子限界に達した際の理論的予測と整合した。
• 結果として、ウェイルノードのトポロジカル保護が、低温で強固で高性能な熱電力応答を実現可能であることが示された。