[論文レビュー] Large linear magnetoresistance and weak anti-localization in Y(Lu)PtBi topological insulators

Chandra Shekhar, Erik Kampert+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、高品質な単結晶 Y(Lu)PtBi ヒュースラー化合物における大きな線形磁気抵抗（MR）および弱い逆局在（WAL）を調査し、低キャリア密度と強いスピン軌道結合を示す半金属的挙動を明らかにした。60 Tまで線形で飽和しない観察された磁気抵抗と、50 K未塔で温度に依存しないWALは、トポロジカル表面状態の強力な証拠を示しており、バルクでは古典的移動度駆動メカニズムが存在するにもかかわらず、線形MRの量子的起源を示唆している。

ABSTRACT

Topological insulators are new kind of Dirac materials that possess bulk insulating and surface conducting behavior. They are basically known for their unique electronic properties at the surface. Here we present the magneto-transport properties of our high quality single crystalline Y(Lu)PtBi Heusler topological insulators, which belong to a group of noncentrosymmetric superconductor with Tc = 0:8 K. Both the compounds show semi-metallic behavior with low charge carrier of 6 x1018 cm^-3 for YPtBi and 8 x1019 cm^-3 for LuPtBi at 2 K. Magneto-conductivity measurements in the tilted field indicate that the charge carriers transport through quantum interference. This provide a direct evidence of weak anti-localization below 50 K, giving a strong signature of surface transport. Most importantly, these compounds show very high unsaturated linear magnetoresistance of approximately 2000% at 10 K in a magnetic field of 60 T.

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶 Y(Lu)PtBi ヒュースラー化合物としてのトポロジカル絶縁体の磁気輸送特性を調査すること。
• これらの材料で観察された大きな非飽和線形磁気抵抗（MR）の起源を特定すること。
• 弱い逆局在（WAL）がトポロジカル表面状態輸送を確認する役割を特定すること。
• 非磁性トポロジカル絶縁体における線形MRの量子的起源と古典的起源を区別すること。
• 低キャリア密度を示す半金属的トポロジカル絶縁体におけるバルクと表面輸送の相乗作用を評価すること。

提案手法

• Y(Lu)PtBiの単結晶は、ビスマス（Bi）をフラックスとして用い、ストイキオメトリック比を保ちながらアルゴン雰囲気下で石英アンピュールに封じ込めてフラックス法により成長させた。
• 結晶構造および組成は、ラウエX線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピ（EDS）により確認され、格子定数は YPtBiで6.651 Å、LuPtBiで6.574 Åであった。
• 0.3 K から 300 K の温度範囲で、ロックイン技術を用いてQuantum Design PPMSシステムにおいて四端子抵抗率測定および五端子ホール測定を実施した。
• ねじれ磁場下での磁気伝導度測定により、量子干渉効果を調べ、WALパラメータを抽出した。
• 理論的分析には、WALモデル Δσ = −(e²/h) × (1/π) × ln(1 + B/B₀) を用い、B₀は特徴的な磁場スケールを表す。
• 線形MRは古典的移動度モデルを用いて分析し、線形ディラック分散およびゼロギャップ半金属的挙動に基づく量子MR予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Y(Lu)PtBi トポロジカル絶縁体で観察された大きな非飽和線形磁気抵抗の起源は何か？
• RQ2 これらの材料における弱い逆局在（WAL）が、トポロジカル表面状態の存在をどの程度確認できるか？
• RQ3 これらの半金属的ヒュースラー化合物におけるバルクと表面の輸送寄与は、どのように相互作用するか？
• RQ4 Y(Lu)PtBiにおける線形MRは、主にトポロジカル表面状態からの量子的効果に起因するのか、それとも古典的移動度効果に起因するのか？
• RQ5 なぜ磁気抵抗は60 Tまで線形で、かつ50 K未満でほぼ温度に依存しないまま保たれるのか？

主な発見

• YPtBiとLuPtBiは、2 Kでそれぞれ6 × 10¹⁸ cm⁻³および8 × 10¹⁹ cm⁻³の低キャリア密度を示し、半金属的挙動を示した。
• 50 K未満で弱い逆局在（WAL）が観察され、量子干渉およびトポロジカル表面状態を介した輸送を示した。
• 60 Tの磁場下で200 Kで約2000%の磁気抵抗が観測され、強い非飽和性と線形性を示した。
• 線形MRは50 Kまでほぼ温度に依存せず、線形ディラック分散およびゼロギャップ半金属的挙動と整合する量子的起源を支持した。
• WALパラメータk₂は2 Kで0.5から50 Kで1.0に増加し、2次元表面から3次元バルク局在効果への遷移を示した。
• 古典的移動度駆動メカニズムが存在するにもかかわらず、低キャリア密度、線形分散、およびトポロジカル表面状態の組み合わせは、線形MRの量子的起源を強く示唆した。