[論文レビュー] Magnetotransport in Sr3PbO antiperovskite with three-dimensional massive Dirac electrons

S. Suetsugu, K. Hayama+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、三次元質量のあるディラック電子を宿すと予測される立方晶反ペロブスカイト Sr₃PbO における磁気輸送特性を調査する。量子振動および磁気抵抗測定により、非常に小さいホールのサイクロトロン質量（約 0.01–0.06 mₑ）と線形で温度に依存しない磁気抵抗が確認され、3次元質量のあるディラックフェルミオンの存在および約 5 T における量子限界の実現が裏付けられた。

ABSTRACT

Novel topological phenomena are anticipated for three-dimensional (3D) Dirac electrons. The magnetotransport properties of cubic ${ m Sr_{3}PbO}$ antiperovskite, theoretically proposed to be a 3D massive Dirac electron system, are studied. The measurements of Shubnikov-de Haas oscillations and Hall resistivity indicate the presence of a low density ($\sim 1 imes 10^{18}$ ${ m cm^{-3}}$) of holes with an extremely small cyclotron mass of 0.01-0.06$m_{e}$. The magnetoresistance $Δρ_{xx}(B)$ is linear in magnetic field $B$ with the magnitude independent of temperature. These results are fully consistent with the presence of 3D massive Dirac electrons in ${ m Sr_{3}PbO}$. The chemical flexibility of the antiperovskites and our findings in the family member, ${ m Sr_{3}PbO}$, point to their potential as a model system in which to explore exotic topological phases.

研究の動機と目的

• 理論的にそのような準粒子を宿すと予測される Sr₃PbO 反ペロブスカイトに、三次元質量のあるディラック電子が実際に存在するかを実験的に検証すること。
• Sr₃PbO の磁気輸送特性を調査し、その低エネルギー準粒子の性質と磁場への応答を解明すること。
• 実験的に測定可能な磁場範囲内で、この系において量子限界が達成可能かどうかを特定すること。
• 反ペロブスカイトが、3次元ディラックフェルミオンから生じる特異なトポロジカル相を探索するためのチューナブルなプラットフォームとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 高磁場下でのシュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動の測定により、フェルミ面の位相とサイクロトロン質量を抽出する。
• ホール抵抗率の解析により、キャリアの種別、密度、移動度を決定する。
• 縦磁気抵抗 Δρₓₓ(B) の測定により、磁場依存性と温度不変性を評価する。
• ランダウ準位の量子化モデルを用いて、振動周波数からフェルミエネルギーとランダウ準位間隔を推定する。
• 実験結果をディラックフェルミオンの理論モデルと古典的不純物効果のモデルと比較する。
• 角度依存測定と解析により、フェルミ面の異方性とその輸送特性への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr₃PbO の磁気輸送特性は、三次元質量のあるディラックフェルミオンの存在を裏付ける証拠を提供するか？
• RQ2 実験的に測定可能な磁場範囲内で、Sr₃PbO における量子限界は達成可能であり、その磁場強度はどの程度か？
• RQ3 なぜこの系では縦磁気抵抗が磁場に対して線形的で、かつ温度に依存しないのか？
• RQ4 フェルミ面の異方性は、SdH 振動および磁気抵抗の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測された輸送挙動は、古典的不純物モデルで完全に説明可能か、それともディラックフェルミオンにおける量子限界効果と整合性があるか？

主な発見

• シュービニコフ＝ド・ハース振動から、ホールキャリア密度が約 1×10¹⁸ cm⁻³ であり、極めて小さいサイクロトロン質量（0.01–0.06 mₑ）が得られ、3次元質量のあるディラックフェルミオンと整合的である。
• 縦磁気抵抗 Δρₓₓ(B) は磁場に対して線形的で、温度に依存せず、量子限界状態の特徴的挙動である。
• フェルミエネルギーは約 110–130 meV と推定され、n=1 のランダウ準位間隔は約 115 meV であり、量子限界は約 5 T で達成されている。
• 二つの異なるフェルミ面断面からのフェルミエネルギー推定値が一致するため、同等で異方性のあるフェルミポケットの存在が裏付けられた。
• ρₓₓ(B) が温度依存する一方で Δρₓₓ(B) が温度に依存しないことから、観測された輸送挙動は古典的不純物モデルでは完全に説明できない。
• 系は約 10 meV の質量ギャップを示すが、フェルミエネルギーおよびランダウ準位間隔に比べて極めて小さいため、ディラックフェルミオンモデルの適用が妥当であると検証された。