[論文レビュー] Drastic pressure effect on the extremely large magnetoresistance in WTe2

Peng Cai, Junfeng Hu+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、量子振動測定を用いてWTe₂単結晶における非常に大きな磁気抵抗（XMR）の圧力依存性を調査した。4つのフェルミ表面が同定され、そのうち2つの電子および正孔ポケットが高圧下でも維持される。XMRは常圧での1.25×10⁵%から23.6 kbarでの7.47×10³%に急激に低下し、XMRは電子と正孔のキャリア密度の微妙なバランスに起因することを示している。

ABSTRACT

The quantum oscillations of the magnetoresistance under ambient and high pressure have been studied for WTe$_2$ single crystals, in which extremely large magnetoresistance was discovered recently. By analyzing the Shubnikov-de Haas oscillations, four Fermi surfaces are identified, and two of them are found to persist to high pressure. The sizes of these two pockets are comparable, but show increasing difference with pressure. At 0.3 K and in 14.5 T, the magnetoresistance decreases drastically from 1.25 $ imes$ $10^5$\% under ambient pressure to 7.47 $ imes$ $10^3$\% under 23.6 kbar, which is likely caused by the relative change of Fermi surfaces. These results support the scenario that the perfect balance between the electron and hole populations is the origin of the extremely large magnetoresistance in WTe$_2$.

研究の動機と目的

• WTe₂単結晶における非常に大きな磁気抵抗（XMR）の圧力依存性を調査すること。
• 高圧下におけるフェルミ表面トポロジーの進化とXMRに与える影響を特定すること。
• WTe₂におけるXMRの原因が完全な電子-正孔補償であるという仮説を検証すること。
• 量子振動（シュビニコフ＝ド・ハース）を分析して、圧力下でのフェルミ表面ポケットの同定と追跡を行うこと。

提案手法

• 常圧および高圧（最大23.6 kbar）下でWTe₂単結晶に対して量子振動測定を実施した。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動を解析して、ポケットサイズや有効質量などのフェルミ表面パラメータを抽出した。
• 圧力変化に伴い0.3 Kおよび14.5 Tで磁気抵抗を測定し、XMRの抑制を評価した。
• 電子的構造と輸送応答の相関を調べるために、フェルミ表面の進化と磁気抵抗の変化を比較した。
• 方位依存磁気抵抗を用いて、フェルミ表面トポロジーおよびポケット同定を確認した。
• リフシッツ＝コセヴィッチ解析を適用して、量子振動から振動周波数および有効質量を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子振動によって明らかにされたWTe₂におけるフェルミ表面トポロジーは、高圧下でどのように変化するか？
• RQ2 WTe₂における非常に大きな磁気抵抗の圧力依存性は何か？
• RQ3 電子および正孔のフェルミ表面ポケットは高圧下でもバランスを保っているか？
• RQ4 圧力下での磁気抵抗の著しい低下は、フェルミ表面幾何学的形状またはキャリア密度の変化によって説明できるか？

主な発見

• シュビニコフ＝ド・ハース振動を用いた解析により、WTe₂に4つの明確なフェルミ表面ポケットが同定された。
• そのうち2つのポケット（電子および正孔ポケット）が23.6 kbarの圧力まで維持された。
• 常圧下ではこれらのポケットのサイズがほぼ同等であったが、圧力が上昇するに従い、そのサイズ差が顕著に拡大した。
• 0.3 Kおよび14.5 Tの条件下で、磁気抵抗は常圧での1.25×10⁵%から23.6 kbarでの7.47×10³%に低下した。
• 磁気抵抗の急激な低下は、圧力下における電子と正孔のフェルミ表面キャリア密度の不均衡の増大と相関していた。
• 本結果は、WTe₂におけるXMRが、電子と正孔キャリアのほぼ完全な補償に起因するというシナリオを支持している。