[論文レビュー] Negative Magnetoresistance in Topological Semimetals of Transition-Metal Dipnictides with Nontrivial Z2 Indices

Yupeng Li, Zhen Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Weylフェルミオンが明示的に除外されるにもかかわらず、非磁性で中心対称な遷移金属ジヒ hydrides MPn₂（M = Nb, Ta; Pn = As, Sb）において、普遍的な負の磁気抵抗（NMR）を報告する。このNMRは、非自明な表面状態に起因し、スピン運動量ロックが逆方向となるもので、I-L-I′方向に特徴的な電子-ホール-電子（e-h-e）ギャップを形成するLifshitz遷移によって駆動される。第一原理計算により、非自明なℤ₂指数 [0;(111)] が確認された。

ABSTRACT

Negative magnetoresistance (NMR) induced by the Adler-Bell-Jackiw anomaly is regarded as the most prominent quantum signature of Weyl semimetals when electrical field $E$ is collinear with the external magnetic field $B$. In this article, we report universal NMR in nonmagnetic, centrosymmetric transition metal dipnictides MPn$_{2}$ (M=Nb and Ta; Pn=As and Sb), in which the existence of Weyl fermions can be explicitly excluded. Using temperature-dependent magnetoresistance, Hall and thermoelectric coefficients of Nernst and Seebeck effects, we determine that the emergence of the NMR phenomena in MPn$_{2}$ is coincident with a Lifshitz transition, corresponding to the formation of unique electron-hole-electron ($e$-$h$-$e$) pockets along the $I-L-I'$ direction. First-principles calculations reveal that, along the $I-L-I'$ line, the $d_{xy}$ and $d_{x^{2}-y^{2}}$ orbitals of the transition metal form tilted nodal rings of band crossing well below the Fermi level. Strong spin-orbital coupling gaps all the crossing points and creates the characteristic $e$-$h$-$e$ structure, making MPn$_{2}$ a topological semimetal with $\mathbb{Z}_2$ indices of [0;(111)]. By excluding the weak localization contribution of the bulk states, we conclude that the universal NMR in MPn$_{2}$ may have an exotic origin in topological surface states, which appears in pairs with opposite spin-momentum locking on nontrivial surfaces.

研究の動機と目的

• Weylフェルミオンが明示的に除外される非磁性で中心対称な遷移金属ジヒ hydrides MPn₂における負の磁気抵抗（NMR）の起源を調査すること。
• 観察されたNMRが、バルクの自明なギャップや弱い局在化効果ではなく、トポロジカル表面状態に起因するかを特定すること。
• 電子構造とフェルミ面トポロジーの変化を分析することで、Lifshitz遷移がNMRを誘発する役割を確立すること。
• ℤ₂指数の計算とスピン運動量ロックが逆方向となる表面状態の同定により、MPn₂のトポロジカル性質を明確にすること。
• 温度依存測定を用いて、バルクの自明なギャップと内在的なトポロジカル表面状態の寄与を区別すること。

提案手法

• ヨウ素を輸送剤として用いた二段階蒸発輸送法により、NbAs₂、TaAs₂、TaSb₂の高品質単結晶を合成した。
• 磁場をc軸に印加し、温度依存の磁気抵抗、ホール効果、熱電気的測定（ネルンスト係数とセーベック係数）を実施した。
• VASPを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を行い、GGAとスピン軌道相互作用を含め、電子バンド構造をモデル化し、ノードルリングの同定を試みた。
• バンド構造解析により、I-L-I′方向にe-h-eフェルミ面ギャップが形成されることをマッピングし、d軌道に起因する傾いたノードルリングの存在を確認した。
• XRDデータのリートベルト解析により結晶構造と化学 stoichiometry を検証し、EDXを用いてヨウ素不純物の欠如を確認した。
• NMRの発生とe-h-e構造におけるホールギャップの消失が一致することから、臨界温度でLifshitz遷移が発生していると結論づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Weylフェルミオンが明示的に除外されるMPn₂化合物における普遍的負の磁気抵抗の物理的起源は何か？
• RQ2 e-h-eギャップ構造の形成に関連するLifshitz遷移は、これらの材料におけるNMRの出現とどのように関係しているか？
• RQ3 MPn₂のトポロジカル性質は何か？ また、非自明なℤ₂指数 [0;(111)] を持つ表面状態を有するか？
• RQ4 観察されたNMRは、バルクの自明なギャップ補償や弱い局在化効果ではなく、トポロジカル表面状態に起因するものとみなせるか？
• RQ5 スピン軌道相互作用とノードルリングにおけるバンドギャップの開きは、e-h-eフェルミ面構造の形成にどのように寄与するか？

主な発見

• NbAs₂、TaAs₂、TaSb₂において、負の磁気抵抗（NMR）が普遍的に観察され、NMRの発生温度がe-h-eフェルミ面構造におけるホールギャップの消失と正確に一致した。
• 第一原理計算により、e-h-eギャップは、I-L-I′方向に沿ってM-dxyとM-dx²−y²軌道から形成される傾いたノードルリングが強いスピン軌道相互作用によってギャップ化することで生じ、非自明なℤ₂指数 [0;(111)] を示した。
• NMRはバルクの自明なギャップ補償とは相関がなく、これは抵抗率の大きさと飽和度を支配する要因であるため、NMR効果の起源が明確に異なることを示している。
• NMRは、非自明な表面でスピン運動量ロックが逆方向となるトポロジカル表面状態に起因し、ペアを形成することで生じる。これはWeyl半金属におけるキラル異常と類似した奇妙な起源を示唆する。
• e-h-e構造が輸送応答を支配するため、内在的な表面状態を分離することが困難であるが、圧力や化学ドーピングによりこの構造を抑制することで、下位の弱いトポロジカル絶縁体の挙動を調べることが可能になる。
• 単結晶は高品質であり、XRDロッキングカーブの半値全幅（FWHM = 0.06°）が狭く、EDXによる組成分析で化学 stoichiometry が確認され、信頼できる輸送および構造的分析が可能となった。