[論文レビュー] Identifying the Dirac point composition in Bi1-xSbx alloys using the temperature dependence of quantum oscillations

Joon Sang Kang, Dung Vu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Bi1-xSbx合金におけるディラック点組成（xc）を実験的に特定するため、温度依存の量子振動解析を導入する。Shubnikov-de Haas振動周波数 F(x,T) の温度依存性を測定することで、dF/dT < 0 がディラック的L点バンドを示し、dF/d/dT > 0 が自明な放物線型バンドを示すことが明らかとなり、xc ≈ 5±1 at.% における特定が直接的な実験的手法として可能となる。

ABSTRACT

The thermal chiral anomaly is a new mechanism for thermal transport that occurs in Weyl semimetals (WSM). It is attributed to the generation and annihilation of energy at Weyl points of opposite chirality. The effect was observed in the Bi1-xSbx alloy system, at x=11% and 15%, which are topological insulators at zero field and driven into an ideal WSM phase by an external field. Given that the experimental uncertainty on x is of the order of 1%, any systematic study of the effect over a wider range of x requires precise knowledge of the transition composition xc at which the electronic bands at the L-point in these alloys have Dirac-like dispersions. At x>xc, the L-point bands are inverted and become topologically non-trivial. In the presence of a magnetic field along the trigonal direction, these alloys become WSMs. This paper describes how the temperature dependence of the frequency of the Shubnikov-de Haas oscillations F(x,T) at temperatures of the order of the cyclotron energy can be used to find xc and characterize the topology of the electronic Fermi surface. Alloys with topologically trivial bands have dF(x,T)/dT>0, those with Dirac/Weyl fermions display dF(x,T)/dT<0.

研究の動機と目的

• Bi1-xSbx合金におけるL点バンドがディラック的になる正確な組成 xc を特定すること。
• 熱的キラル異常の系統的解析を妨げる x の実験的不確実性（±1%）を解消すること。
• 同じ材料系においてトポロジカルバンド構造の進化を信頼性高く、イン・サイトで同定する手法を開発すること。
• 理論的予測である、ディラック/ワイルフェルミオンが量子振動において dF/dT < 0 を示すことを実験的に検証すること。

提案手法

• 2–20 K で x = 2.1–7.2 at.% の範囲で、Bi1-xSbx合金における温度依存のShubnikov-de Haas（SdH）振動を測定する。
• 振動的磁気抵抗にフーリエ変換を適用し、各 x および T における振動周波数 F(x,T) を抽出する。
• 温度微分 dF(x,T)/dT を分析することで、自明な放物線型バンド（dF/dT > 0）とディラック的バンド（dF/dT < 0）を区別する。
• T点ホールバンドパラメータ（mT,z = 0.67me, mT,x = 0.064me）を用いてホール濃度を計算し、Tバンド寄与を除外する。
• 抽出されたフェルミ面断面積とホール測定結果を比較し、振動のL点電子起源を確認する。
• SdH振動にローレンツ関数フィッティングを適用し、周波数の不確実性および誤差ボックスを決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi1-xSbx合金におけるL点バンドが自明からディラック的へと遷移する組成 xc は何か？
• RQ2 量子振動周波数 F(x,T) の温度依存性は、自明なバンド分散とディラック的バンド分散を区別できるか？
• RQ3 dF/dT < 0 は、トポロジカル半金属におけるディラックフェルミオンの信頼できる実験的特徴として機能するか？
• RQ4 F(x,T) の温度依存的変化は、ワイル半金属相における熱的キラル異常の発現とどのように相関するか？
• RQ5 この手法は、Bi1-xSbx合金における組成の不確実性を解消し、トポロジカル輸送効果の系統的解析を可能にするか？

主な発見

• ディラック的L点バンドを有する合金において、dF/dT < 0 が実験的に確認され、理論的予測が裏付けられた。
• x = 4.1 at.% の試料では、20 K まで振動が明確に分解できるため、量子コherーの高さが示された。
• 2.1% および 3.3% の試料では dF/dT > 0 が観測され、自明な放物線型バンド特性が確認された。
• 5.3% の試料では曖昧な挙動を示し、EQL や電流ジェット効果の可能性がある。
• 7.2% の試料では振動が観測されず、トポロジカル絶縁体相と整合的であった。
• 本手法により、Bi1-xSbx合金における xc ≈ 5±1 at.% を直接的かつイン・サイトで同定する診断ツールが提供された。