[論文レビュー] Induced anomalous Hall effect of massive Dirac fermions in ZrTe5 and HfTe5 thin flakes

Yanzhao Liu, Huichao Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非磁性のZrTe5およびHfTe5の薄膜フラクチュアにおける異常ホール効果（AHE）が、Weyl点を伴わない質量のあるディラックバンドの分裂に起因することを示している。高磁場下でAHEは10 Tを超えると55（ZrTe5）および70（HfTe5）ohm⁻¹·cm⁻¹に飽和し、ベリー曲率の計算により弱いトポロジカル絶縁体状態が確認された。これはトポロジカル材料におけるバンドトポロジーを新たに探る手がかりを提供する。

ABSTRACT

Researches on anomalous Hall effect (AHE) have been lasting for a century to make clear the underlying physical mechanism. Generally, the AHE appears in magnetic materials, in which extrinsic process related to scattering effects and intrinsic contribution connected with Berry curvature are crucial. Recently, AHE has been counterintuitively observed in non-magnetic topological materials and attributed to the existence of Weyl points. However, the Weyl point scenario would lead to unsaturated AHE even in large magnetic fields and contradicts the saturation of AHE in several tesla (T) in experiments. In this work, we investigate the Hall effect of ZrTe5 and HfTe5 thin flakes in static ultrahigh magnetic fields up to 33 T. We find the AHE saturates to 55 (70) Ohm^-1*cm^-1 for ZrTe5 (HfTe5) thin flakes above ~ 10 T. Combining detailed magnetotransport experiments and Berry curvature calculations, we clarify that the splitting of massive Dirac bands without Weyl points can be responsible for AHE in non-magnetic topological materials ZrTe5 and HfTe5 thin flakes. This model can identify our thin flake samples to be weak topological insulators and serve as a new tool to probe the band structure topology in topological materials.

研究の動機と目的

• 非磁性トポロジカル材料におけるWeyl点に基づく理論予測と実験で観測されたAHEの飽和との矛盾を解消すること。
• 超高磁場（最大33 T）下でのZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアにおける異常ホール効果の起源を調査すること。
• Weyl点を必要としない質量のあるディラックフェルミオンのバンド分裂が、観測されたAHEを説明できるかどうかを検証すること。
• AHE応答を用いてトポロジカル材料のバンド構造トポロジーをプローブする新しい手法を確立すること。
• 磁気輸送測定とベリー曲率解析を統合して、ZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアのトポロジカル性質を明確にすること。

提案手法

• 静的超高磁場（最大33 T）下で剥離したZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアを用いた磁気輸送測定を実施した。
• 異常ホール電導度を抽出するために、ホール抵抗および縦抵抗の詳細な測定を実施した。
• バンドトポロジーとAHE応答の関連を明確にするために、第一原理電子構造計算からベリー曲率を計算した。
• 反転対称性の破れを示すスピン分離の起こった質量のあるディラックフェルミオンを特定するため、バンド構造を分析した。
• 高磁場（10 T以上）でのAHEの飽和を、Weyl点に基づくメカニズムを除外するための重要な制約条件とした。
• 実験的AHEの大きさと理論的ベリー曲率を照合することで、効果の起源を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性のZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアにおける異常ホール効果は、Weyl点を仮定せずに説明可能か？
• RQ2 これらの材料における高磁場（約10 T）で観測されたAHEの飽和の起源は何か？
• RQ3 内在的な磁性が存在しない状況下で、質量のあるディラックバンドの分裂が異常ホール効果にどのように寄与するか？
• RQ4 AHEが、これらの材料におけるバンド構造のトポロジカル性質をどれほど正確にプローブできるか？
• RQ5 観測されたAHEは、ZrTe5およびHfTe5における弱いトポロジカル絶縁体相と整合的か？

主な発見

• ZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアにおける異常ホール効果は、それぞれ10 Tを超えると55および70 ohm⁻¹·cm⁻¹に飽和し、強固で磁場に依存しない寄与を示している。
• この飽和行動は、Weyl点モデルによる予測とは矛盾しており、高磁場でもAHEが飽和しないはずである。
• ベリー曲率の計算から、Weyl点を伴わない質量のあるディラックバンドの分裂が、AHEに顕著な内部寄与を生成することが判明した。
• 観測されたAHEは、スピン分離の起こった質量のあるディラックフェルミオンに起因する非自明なベリー曲率に由来する内部メカニズムによるものと特定された。
• 本研究では、ZrTe5およびHfTe5薄膜フラクチュアが弱いトポロジカル絶縁体であると特定され、AHEがそのバンドトポロジーを直接プローブする手段となっていることが示された。
• 本研究では、磁性秩序に依存しない非磁性材料におけるトポロジカルバンド構造を、ホール効果を用いてプローブする新しい手法を確立した。