[論文レビュー] Intervalley Tunneling and Crossover from the Positive to Negative Interlayer Magnetoresistance in Quasi-Two-Dimensional Dirac Fermion System with or without Mass Gap

Takao Morinari|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、圧力下の準二次元ディラックフェルミオン系、例えば圧力下のα-(BEDT-TTF)2I3において、中間のヨウ素層を通じた間層間トンネル効果が、フェルミエネルギーがディラック点にある場合でさえ、正の層間磁気抵抗を誘導することを提案する。ゼロエネルギーのランダウ準位によって駆動される、正の磁気抵抗から負の磁気抵抗への遷移は、質量なしのフェルミオンと質量のあるフェルミオンを区別するための特徴として機能し、零温における遷移磁場からフェルミ速度と散乱率の比を抽出可能である。

ABSTRACT

We theoretically investigate the interlayer magnetoresistance in quasi-two-dimensional Dirac fermion systems, where the Fermi energy is at the Dirac point. If there is an intermediate insulating layer that has an overlap with the wave functions in the Dirac fermion layers, there appears a positive magnetoresistance regime due to the intervalley tunneling. We show that the interlayer magnetoresistance can be used to find whether Dirac fermions are massive or not from the minimum in the interlayer magnetoresistance. As a specific system, we consider \alphaI under high pressure. We also discuss that one has to be careful in analyzing the crossover temperature from the positive to negative magnetoresistance. A simple picture is applied to the crossover in the zero temperature limit but it does not apply to the data at finite temperatures. We show that the ratio of the Fermi velocity to the scattering rate is evaluated from the zero temperature limit of the crossover temperature.

研究の動機と目的

• 高圧下のα-(BEDT-TTF)2I3における実験的に観測された、正の層間磁気抵抗から負の層間磁気抵抗への遷移を説明すること。
• ヨウ素層を通じた間層間トンネル効果が正の磁気抵抗を生成する役割を明確にすること。
• 層間磁気抵抗を、質量なしのフェルミオンと質量のあるフェルミオンを区別するためのプローブとして確立すること。
• 磁気抵抗データからフェルミ速度と散乱率の比を抽出する手法を導出すること。

提案手法

• 第二準位の摂動理論を用いて、ヨウ素層を通じた間層間トンネル効果を組み込んだ有効な層間トンネルハミルトニアンを構築する。
• ランダウ準位の波動関数を用いて、磁場下における層間導電度の公式をコブの公式から導出する。
• ランダウ準位エネルギー準位および波動関数の形式に、質量なしおよび質量のあるディラックフェルミオンのスペクトルを統合する。
• ランダウ準位間の間層間トンネルの行列要素を用いて、導電度を計算する。
• 正の磁気抵抗と負の磁気抵抗の領域の間の遷移における零温における遷移磁場を分析する。
• スペクトルの広がりとフェルミ・デイジー統計を用いて、有限温度効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下のα-(BEDT-TTF)2I3において、負の磁気抵抗の発現以前に観測される初期の正の磁気抵抗を説明するメカニズムは何か？
• RQ2 ヨウ素層を通じた間層間トンネル効果は、ディラックフェルミオン系における層間磁気抵抗にどのように影響を与えるか？
• RQ3 層間磁気抵抗は、質量なしのフェルミオンと質量のあるフェルミオンを区別できるか？
• RQ4 正の磁気抵抗から負の磁気抵抗への遷移磁場の物理的起源は何か？
• RQ5 実験的磁気抵抗データからフェルミ速度と散乱率の比をどのように抽出できるか？

主な発見

• ヨウ素層を通じた間層間トンネル効果が、弱い磁場領域において正の磁気抵抗領域を誘導する。これは、ゼロエネルギーのランダウ準位が予想する負の磁気抵抗とは逆の結果である。
• 正の磁気抵抗から負の磁気抵抗への遷移磁場は、質量ギャップの有無に依存しており、これによりディラックフェルミオンのスペクトルを特定可能である。
• 零温における遷移磁場の極限は、フェルミ速度と散乱率の比と直接関係しており、準粒子の力学的性質を定量的にプローブする手段を提供する。
• 本モデルは、高圧下のα-(BEDT-TTF)2I3における低磁場領域での正のMRと高磁場領域での負のMRの実験的観測を説明できる。
• 有限温度効果は、単純な零温における遷移モデルを無効にし、正の磁気抵抗と負の磁気抵抗の領域の遷移磁場をより洗練された分析が不可欠であることを示している。
• 層間導電度の公式は、内バリエーションおよび間バリエーショントンネル効果を両方とも考慮しており、質量ギャップ効果を含むランダウ準位の波動関数から導出された行列要素を用いている。