[論文レビュー] Observation of Chiral character deep in the topological insulating regime in Bi$_{1-x}$Sb$_x$

Amit, Radha Krishna Gopal+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、全トポロジカルインスレーター（TI）領域（x = 0.032–0.16）にわたり、特にx = 0.16（トポロジカル相転移点x ≈ 0.03から大きく離れた位置）においても、強い角度依存性を示す負の縦磁気抵抗（LMR）および非線形I–V特性を伴う、予期しないキラル異常の観測を報告している。結果は、トポロジカル相転移点から遠く離れたTI相においても、磁場誘起Weyl半金属（WSM）状態が持続することを示しており、この系におけるバンド構造の進化に関する従来の理解に疑問を呈する。

ABSTRACT

Bi$_{1-x}$Sb$_x$ is a topological insulator (TI) for $x \approx 0.03 $--$0.20$. Close to the Topological phase transition at $x = 0.03$, a magnetic field induced Weyl semi-metal (WSM) state is stabilized due to the splitting of the Dirac cone into two Weyl cones of opposite chirality. A signature of the Weyl state is the observation of a Chiral anomaly [negative longitudnal magnetoresistance (LMR)] and a violation of the Ohm's law (non-linear $I-V$). We report the unexpected discovery of a Chiral anomaly in the whole range ($x = 0.032, 0.072, 0.16$) of the TI state. This points to a field induced WSM state in an extended $x$ range and not just near the topological transition at $x = 0.03$. Surprisingly, the strongest Weyl phase is found at $x = 0.16$ with a non-saturating negative LMR much larger than observed for $x = 0.03$. The negative LMR vanishes rapidly with increasing angle between $B$ and $I$. Additionally, non-linear $I$--$V$ is found for $x = 0.16$ indicating a violation of Ohm's law. This unexpected observation of a strong Weyl state in the whole TI regime in Bi$_{1-x}$Sb$_x$ points to a gap in our understanding of the detailed electronic structure evolution in this alloy system.

研究の動機と目的

• トポロジカル相転移点x ≈ 0.03の近傍にとどまらず、全トポロジカルインスレーター（TI）領域にわたり、Bi$_{1-x}$Sb$_x$におけるキラル異常およびWeyl半金属（WSM）行動の存在を調査すること。
• 従来、x = 0.03の近傍でのみ観測されたWeyl半金属状態が、より高いSbドーピング濃度（x = 0.072およびx = 0.16）に対しても持続するかどうかを特定すること。
• キラル異常を示す兆候としての磁気抵抗の角度依存性および非線形I–V挙動を、TI相において検証すること。
• Bi$_{1-x}$Sb$_x$のバルクバンドがx ≈ 0.04を超えて非有効であるという一般的な仮定に反し、電子構造にWeylノードが存在することを特定することで、その仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• x = 0.032、0.072、および0.16のBi$_{1-x}$Sb$_x$の高品質単結晶を、真空下で改変されたブリッジマン法により成長させた。
• 低温（2 K）での磁気輸送測定を実施し、磁場Bおよび電流方向Iの関数として縦磁気抵抗（LMR）を測定した。
• キラル異常の兆候をテストするために、BとIの間の角度を変化させ、LMRの角度依存性を体系的に測定した。
• 電流に平行または垂直に配置した磁場（B = 9 T）下で非線形I–V特性を測定し、オームの法則の破れを検出するための測定を実施した。
• 温度依存性LMRを測定し、キラル異常の熱的安定性を評価した。データ収集は50 Kまで実施した。
• データ解析では、BとIの間の角度が増加するにつれて抑制される負のLMRを特定することに注力し、これはアドラー＝ベル＝ジャッキーウェイのキラル異常を特徴付けるものである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル異常（負の縦磁気抵抗として現れる）は、x ≈ 0.04を超えてトポロジカルインスレーター相の深部にまで、Bi$_{1-x}$Sb$_x$において持続するか？
• RQ2 Weyl半金属状態は、トポロジカル相転移点（x ≈ 0.03）の近傍でのみ観測されるものなのか、それともx = 0.16のような高いSb濃度に対しても拡張するか？
• RQ3 TI領域における異なる組成において、負のLMRの強度および角度依存性はどのように変化するか？
• RQ4 オームの法則の破れ（非線形I–V）の証拠はあり、それは磁場が電流と平行に配置された場合に相関するか？
• RQ5 キラル異常の持続性は、x = 0.16におけるBi$_{1-x}$Sb$_x$のバルクバンド構造にWeylノードが存在することを何を示唆するか？

主な発見

• x = 0.16で強い非飽和負の縦磁気抵抗（LMR）が観測され、x = 0.032での値を上回る大きさを示しており、これはTI領域の深部にまで安定したWeyl半金属（WSM）状態が存在することを示している。
• x = 0.16における負のLMRは、BがIと平行に配置された際に最大となり、BとIの間の角度が増加するにつれて急速に抑制された。これはキラル異常の特徴的兆候を確認した。
• x = 0.16でB||Iの場合にのみ明確な非線形I–V応答が観測され、オームの法則の破れが示され、これはWSM挙動のさらなる特徴的兆候である。
• x = 0.072でも弱いが観測可能な負のLMRが検出され、WSM特性がTI相の広い範囲にわたり持続していることを示唆している。
• キラル異常は50 Kを超えて抑制されたことから、Weylノードの寄与が熱的に励起されることを示している。
• これらの結果は、従来の見解（Weylノードはトポロジカル相転移点付近でのみ出現する）に反し、x = 0.16でもBi$_{1-x}$Sb$_x$のバルクバンド構造にWeylノードが存在することを示唆している。