[論文レビュー] Fermi surface topology and negative magnetoresistance observed in centrosymmetric NbAs2 semimetal

Bing Shen, Xiaoyu Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、中心対称性を示すNbAs2の電子構造および輸送特性を調査し、電子・正孔補償のため、9 Tおよび1.8 Kで非趨勢的横磁気抵抗が8000に達することを明らかにした。角度依存性シュビニコフ＝デ・ハース振動および第一原理計算を用いて、4つのフェルミポケットが同定されたが、ガンマポケットは量子振動において検出されていない。また、負の縦磁気抵抗が観測されたことから、さらなる研究を要する可能性のあるトポロジカル状態が存在する可能性がある。

ABSTRACT

We report transverse and longitudinal magneto-transport properties of NbAs2 single crystals. Attributing to the electron-hole compensation, non-saturating large transverse magnetoresistance reaches up to 8000 at 9 T at 1.8 K with mobility around 1 to 2 m^2V^-1S^-1. We present a thorough study of angular-dependent Shubnikov-de Haas (SdH) quantum oscillations of NbAs2. Three distinct oscillation frequencies are identified. First-principles calculations reveal four types of Fermi pockets: electron alpha pocket, hole beta pocket, hole gamma pocket and small electron delta pocket. Although the angular dependence of alpha, beta and delta agree well with the SdH data, it is unclear why the gamma pocket is missing in SdH. Negative longitudinal magnetoresistance is observed which may be linked to novel topological states in this material, although systematic study is necessary to ascertain its origin.

研究の動機と目的

• 量子振動測定を用いて、中心対称性を示すNbAs2のフェルミ面トポロジーを調査すること。
• 第一原理計算を用いて、NbAs2の電子構造を同定・特徴づけること。
• NbAs2における大きな非趨勢的横磁気抵抗の起源を理解すること。
• 負の縦磁気抵抗の出現とそのトポロジカル状態との可能性のある関連を調査すること。
• 量子振動で観測されたフェルミポケットと計算で予測されたものとの間に生じる矛盾を解明すること。

提案手法

• 低温度下で高品質なNbAs2単結晶を用いて、横および縦磁気輸送測定を実施した。
• フェルミ面パラメータおよびポケット形状を抽出するために、角度依存性シュビニコフ＝デ・ハース（SdH）振動を分析した。
• 第一原理電子構造計算を用いて、フェルミ面トポロジーを予測し、実験的結果を検証した。
• 測定された輸送データから移動度を推定した。その値は1–2 m²V⁻¹s⁻¹程度であった。
• SdH振動の角度依存性を理論的フェルミ面モデルと比較し、観測された周波数を割り当てた。
• 縦磁気抵抗の系統的分析を実施し、そのトポロジカル状態との可能性のある関連を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbAs2の完全なフェルミ面トポロジーは何か。また、その電子的ポケットは輸送特性にどのように寄与するか。
• RQ2 第一原理計算で予測されたガンマフェルミポケットが、角度依存性SdH振動では観測されないのはなぜか。
• RQ3 9 Tおよび1.8 Kで8000を超える非趨勢的横磁気抵抗が発生する原因は何か。
• RQ4 本材料で観測された負の縦磁気抵抗の起源は何か。
• RQ5 負の磁気抵抗は、中心対称性を示すNbAs2に新たなトポロジカル状態が存在する兆しなのではないか。

主な発見

• 9 Tおよび1.8 Kで非趨勢的横磁気抵抗が最大8000に達することを観測した。これは電子・正孔補償に起因するとされた。
• SdH振動周波数として3つの明確な周波数が特定され、それぞれアルファ、ベータ、デルタとラベル付けされたフェルミポケットに対応した。
• 第一原理計算により、4つのフェルミポケットが同定された：電子的アルファ、正孔的ベータ、正孔的ガンマ、および小さな電子的デルタ。
• アルファ、ベータ、デルタポケットの角度依存性はSdHデータとよく一致したが、ガンマポケットは振動において検出されなかった。
• 負の縦磁気抵抗が観測された。これはトポロジカル状態からの寄与の可能性を示唆しているが、その起源は未確認のままである。
• SdHにおいて欠落しているガンマポケットと計算で予測されるその存在との間の矛盾は、未だ解明されていない。