[論文レビュー] Materials and possible mechanisms of extremely large magnetoresistance: A review

Niu, Rui, Zhu, W. K.|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Chemical and Physical Properties of Materials被引用数 46

ひとこと要約

このレビューは、金属および半金属における極めて大きな磁気抵抗（XMR）の現在の理解を統合し、電子・正孔補償と高いキャリア移動度を主なメカニズムとして特定する。トポロジカル半金属、特にワイルおよびディラック材料（WTe2 や TaAs など）が、高磁場下でも飽和しない10^8%を超えるXMR値を実現可能にしていることが強調され、低消費電力スピントロニクスおよび量子デバイスへの応用が示唆される。

ABSTRACT

Magnetoresistance (MR) is a characteristic that the resistance of a substance changes with the external magnetic field, reflecting various physical origins and microstructures of the substance. A large MR, namely a huge response to a low external field, has always been a useful functional feature in industrial technology and a core goal pursued by physicists and materials scientists. Conventional large MR materials are mainly manganites, whose colossal MR (CMR) can be as high as -90%. The dominant mechanism is attributed to spin configuration aligned by the external field, which reduces magnetic scattering and thus resistance. In recent years, some new systems have shown an extremely large unsaturated MR (XMR). Unlike ordinary metals, the positive MR of these systems can reach 103-108% and is persistent under super high magnetic fields. The XMR materials are mainly metals or semimetals, distributed in high-mobility topological or non-topological systems, and some are magnetic, which suggests a wide range of application scenarios. Various mechanisms have been proposed for the potential physical origin of XMR, including electron-hole compensation, steep band, ultrahigh mobility, high residual resistance ratio, topological fermions, etc. It turns out that some mechanisms play a leading role in certain systems, while more are far from clearly defined. In addition, the researches on XMR are largely overlapped or closely correlated with other recently rising physics and materials researches, such as topological matters and two-dimensional (2D) materials, which makes elucidating the mechanism of XMR even more important. Moreover, the disclosed novel properties will lay a broad and solid foundation for the design and development of functional devices. In this review, we will discuss several aspects in the following order: ...

研究の動機と目的

• 極めて大きな磁気抵抗（XMR）を特徴とする物質および物理的メカニズムを体系的にレビューすること。
• 電子・正孔補償、高移動度、およびトポロジカルバンド構造がXMRを可能にする役割を明確にすること。
• XMRと2次元材料やトポロジカル量子物質といった新分野の相互作用を検討すること。
• 実用的デバイス統合に向けた未解決の課題と今後の研究方向性を同定すること。

提案手法

• 元素、二元系（例：XP、XBi、TMDs）、三元系化合物（例：ZrSiS、Co3Sn2S2）に分類したXMR材料の体系的分類。
• 縦方向および横方向磁気抵抗、角度依存性、量子振動を含む実験的輸送データの分析。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）および走査トンネル分光法を用いた電子状態およびフェルミアークのプローブ。
• ワイル点やノードラインを含むバンド構造の理論的モデリングにより、トポロジーとXMRの相関を検証。
• 残留抵抗比（RRR）、キャリア濃度、有効質量の異なる材料間でのXMR挙動の比較。
• キラル異常効果の評価として、トポロジカルワイル半金属の特徴である負の縦方向磁気抵抗を指標に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性金属および半金属における極めて大きく、飽和しない磁気抵抗を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 なぜWTe2 や TaAs といった特定のトポロジカル半金属が10^8%を超えるXMR値を示し、飽和しないのか？
• RQ3 電子・正孔補償と高移動度がXMRにどのように共同で寄与しているのか？
• RQ4 2次元およびファンデルワールス異種積層構造がXMR挙動をどの程度変化させるのか？
• RQ5 高移動度とディラックフェルミオンを有するにもかかわらず、グラフェンは僅か200%程度のMRを示すのはなぜか？

主な発見

• WP2では2.5 K、63 Tで最大2 × 10^8%のXMRが観測され、これは電子・正孔補償、高移動度、および極めて高い残留抵抗比（RRR）に起因するとされている。
• WTe2では60 Tまで飽和しないXMRが観測され、負の縦方向磁気抵抗によりキラル異常効果が確認され、タイプIIワイル半金属の性質が裏付けられている。
• ARPES測定によりCo3Sn2S2に線形バンド分散およびフェルミアークが確認され、磁性ワイル半金属としての分類が支持されている。
• ZrSiSおよびZrSiSeは超高移動度と量子振動を示し、ディラック的準粒子の存在とXMRの可能性を示唆している。
• WTe2 やCd3As2ナノスケールシートのような層状材料におけるXMRは厚さに強く依存しており、量子閉じ込め効果が関与していると示唆される。
• 高移動度とディラック的特徴を有するにもかかわらず、グラフェンは僅か約200%のMRを示すため、バンド構造の詳細や散乱メカニズムなどの追加要因がXMRを制限していると示唆される。