[論文レビュー] Magnetoresistance in 3D Weyl Semimetals

Navneeth Ramakrishnan, Mirco Milletarì+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、RPA-Boltzmann輸送理論と有効媒体平均化を用いて、荷電不純物による電子散乱をモデル化することで、3次元Weyl半金属における磁気抵抗の理論的考察を行う。高磁場領域において、磁気抵抗が二次的から線形的へと遷移することを予測し、実験的に観測されたTlBiSSeの結果と定量的に整合する。

ABSTRACT

We theoretically investigate the transport and magnetotransport properties of three-dimensional Weyl semimetals. Using the RPA-Boltzmann transport scattering theory for electrons scattering off randomly distributed charged impurities, together with an effective medium theory to average over the resulting spatially inhomogeneous carrier density, we smoothly connect our results for the minimum conductivity near the Weyl point with known results for the conductivity at high carrier density. In the presence of a non-quantizing magnetic field, we predict that for both high and low carrier densities, Weyl semimetals show a transition from quadratic magnetoresistance (MR) at low magnetic fields to linear MR at high magnetic fields, and that the magnitude of the $MR \gtrsim 10$ for realistic parameters. Our results are in qualitative agreement with recent unexpected experimental observations on the mixed-chalcogenide compound TlBiSSe.

研究の動機と目的

• Weyl点近傍における3次元Weyl半金属の輸送および磁気輸送特性を理解すること。
• 低キャリア密度における最小導電率と高密度導電率の間のギャップを、統一的な理論枠組みで埋めること。
• TlBiSSeのようなWeyl半金属で観測された、大きな非飽和磁気抵抗を説明すること。
• 荷電不純物がキャリアの不均一性に与える影響と、その磁気輸送特性への影響をモデル化すること。

提案手法

• ランダムに分布する荷電不純物による電子散乱を記述するために、RPA-Boltzmann輸送理論を用いる。
• 不純物散乱に起因する空間的に不均一なキャリア密度を平均化するために、有効媒体理論を適用する。
• 低密度から高密度まで変化するキャリア密度の範囲で、導電率および磁気抵抗を計算する。
• 磁場依存性を解析し、二次的および線形的領域間の遷移を特定する。
• 非量子化磁場下での磁気抵抗の大きさを、実際の材料パラメータを用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元Weyl半金属の磁気抵抗は、低密度および高密度のキャリア密度において、磁場が増加するに従ってどのように変化するか？
• RQ2 TlBiSSeで観測された大きな磁気抵抗の起源は何か？ これは不純物散乱によって説明可能か？
• RQ3 荷電不純子に起因するキャリアの不均一性は、Weyl点近傍の輸送特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 磁気抵抗の二次的から線形的への遷移は、理論的に予測可能であり、既知の導電率領域と結びつけることができるか？

主な発見

• 理論により、有効媒体平均化を介して、Weyl点近傍の最小導電率と高密度導電率をうまく結びつけることに成功した。
• 高磁場領域において、キャリア密度に依存せずに、磁気抵抗が二次的から線形的へと遷移することが予測された。
• 実際の材料パラメータを用いた計算で、磁気抵抗が10を超えることが示され、実験的観測と整合した。
• 結果は、TlBiSSeで観測された予想外の大きな非飽和磁気抵抗を定量的に説明している。