[論文レビュー] Hall anomaly, Quantum Oscillations and Possible Lifshitz Transitions in Kondo Insulator YbB$_{12}$: Evidence for Unconventional Charge Transport

Ziji Xiang, Kuan-Wen Chen+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Rare-earth and actinide compounds被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、高場輸送およびトルク磁気測定を用いて、Kondo絶縁体YbB12における非従来型の電荷輸送を明らかにした。ホール異常、量子振動、および19.6 Tおよび約31 Tにおける場誘起Lifshitz転移が観察された。データは、電荷中性クーパー対に似た準粒子と非金属的電荷キャリアが共存する二流体モデルを支持しており、Landau量子化と散乱が観測可能なShubnikov-de Haas効果を可能にし、新しい量子相の物質を示唆している。

ABSTRACT

In correlated electronic systems, strong interactions and the interplay between different degrees of freedom may give rise to anomalous charge transport properties, which can be tuned by external parameters like temperature and magnetic field. Recently, magnetic quantum oscillations and metallic low-temperature thermal conductivity have been observed in the Kondo insulator YbB$_{12}$, whose resistivity is a few orders of magnitude higher than those of conventional metals. As yet, these unusual observations are not fully understood. Here we present a detailed investigation of the behavior of YbB$_{12}$ under intense magnetic fields using both transport and torque magnetometry measurements. A low-field Hall anomaly, reminiscent of the Hall response associated with "strange-metal" physics, develops at $T < 1.5$ K. At two characteristic magnetic fields ($μ_0H_1= 19.6$ T and $μ_0H_2 \sim 31$ T), signatures appear in the Hall coefficient, magnetic torque, and magnetoresistance. We suggest that they are likely to be field-induced Lifshitz transitions. Moreover, above 35 T, the background resistivity displays an unusual, nonmetallic $T^α$-behavior, with $α$ being field-dependent and varying between -1.5 and -2. By normalizing the Shubnikov-de Haas oscillation amplitude to this $T^α$-dependence, the calculated cyclotron mass becomes more consistent with that deduced from de Haas-van Alphen oscillations. Our results support a novel two-fluid scenario in YbB$_{12}$: a Fermi-liquid-like fluid of charge-neutral quasiparticles coexists with charge carriers that remain in a nonmetallic state. The former experience successive Lifshitz transitions and develop Landau quantization in applied magnetic fields, whilst scattering between both fluids allows the Shubnikov-de Haas effect to be observed in the electrical transport.

研究の動機と目的

• Kondo絶縁体YbB12における異常な低温抵抗率と金属的熱伝導度の起源を解明すること。
• 強い磁場下におけるホール異常および量子振動の性質を調査すること。
• 場誘起Lifshitz転移が観察された磁気抵抗および振動周波数の変化を説明できるかを特定すること。
• 共存するフェルミ液体的および非金属的電荷キャリアを含む二流体状況の仮説を検証すること。
• 電子相関および混合ギャップ物理学が非従来型輸送を可能にする役割を確立すること。

提案手法

• 磁場最大35 Tの条件下で、YbB12単結晶を用いた高精度な輸送およびトルク磁気測定を実施した。
• ホール抵抗率および磁気抵抗を分析し、磁場依存のホール係数および量子振動周波数を抽出した。
• 振動成分の高速フーリエ変換（FFT）を用いて、主な量子振動周波数およびその高調波を同定した。
• 非金属的T^α背景抵抗率に対してShubnikov-de Haas振動の振幅を正規化し、一貫性のあるクーロン質量を抽出した。
• 抵抗率の磁場依存性をT^α（αは-1.5から-2の間）としてモデル化し、非フェルミ液体行動を示唆した。
• 結晶場（CEF）準位およびゼーマン分裂が場誘起ギャップ閉じおよび可能な転移に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T < 1.5 KにおけるYbB12のホール異常は、なぜ標準的な二バンドDrudeモデルとは乖離しているのか。その原因は何か。
• RQ2 μ₀H₁ = 19.6 Tおよびμ₀H₂ ≈ 31 Tにおける観察された特徴は、場誘起Lifshitz転移を示唆しているのか。
• RQ3 Shubnikov-de Haas効果における量子振動は、フェルミ面およびクーロン質量の変化とどのように関係しているか。
• RQ4 磁場依存のαを示す非金属的T^α抵抗率背景の起源は何か。
• RQ5 電荷中性準粒子と非金属的電荷キャリアの共存は、観察された輸送異常を説明できるか。

主な発見

• ホール抵抗率は、標準的な二バンドDrudeモデルとは一致しない強い非線形な磁場依存性を示し、非従来型の散乱メカニズムを示唆している。
• 1.5 K未満で低場ホール異常が出現し、奇妙な金属行動に類似しており、非フェルミ液体物理学を示唆している。
• μ₀H₁ = 19.6 Tおよびμ₀H₂ ≈ 31 Tで、ホール係数、磁気トルク、磁気抵抗に明確な特徴が現れ、量子振動周波数の変化と一致している。
• 35 T以上で量子振動が顕著に現れ、主な周波数F ≈ 670–680 Tであり、FFTスペクトルに明確な高調波が観察された。
• 背景抵抗率は非金属的T^α依存性を示し、αは磁場依存で-1.5から-2の範囲にあり、強い電子相関効果を示唆している。
• Shubnikov-de Haas振動の振幅をT^α背景に対して正規化することで、de Haas-van Alphen測定と整合するクーロン質量が得られ、二流体モデルを支持する結果となった。