[論文レビュー] Observation of Negative Magnetoresistance and nontrivial $π$ Berrys phase in 3D Weyl semi-metal NbAs

Xiaojun Yang, Yupeng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、体積輸送測定を通じてNbAsにおける3次元Weyl半金属相の直接的実験的証明を提供し、サイクリック異常によって誘発される負の磁気抵抗と、Shubnikov-de Haas効果による非自明なπ Berry位相を示した。−20%の負の磁気抵抗とπ Berry位相（β = 1/2）の観察は、NbAsにWeylフェルミオンとトポロジカルな電子構造が存在することを確認し、理論的予測とARPESの結果を裏付けた。

ABSTRACT

We report the electric transport properties of NbAs, which is a Weyl semimetal candidate proposed by recent theoretical calculations and confirmed by recent angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. We detected the long-anticipated negative magneto-resistance generated by the chiral anomaly in NbAs. Clear Shubnikov de Haas (SdH) oscillations have been detected starting from very weak magnetic field. Analysis of the SdH peaks gives the Berry phase accumulated along the cyclotron orbits to be $π$, indicating the existence of Weyl points.

研究の動機と目的

• 体積輸送測定を用いてNbAsにWeylフェルミオンが存在することを実験的に検証すること。
• Weyl点の特徴であるサイクリック異常によって誘発される負の磁気抵抗を特徴として検出すること。
• Shubnikov-de Haas効果を用いてBerry位相を測定し、非自明なトポロジカル特性を確認すること。
• NbAsを高移動度を示す3次元Weyl半金属として確立し、デバイス応用の可能性を示すこと。
• 理論的予測とARPESのデータを、体積量子輸送の兆候と一致させること。

提案手法

• NbAsの単結晶は蒸気拡散法で成長させ、XRD、EDS、X線ロッキングカーブを用いて高品質性と化学 stoichiometry を確認した。
• 磁場の向きと温度の関数として、縦方向抵抗と横方向ホール抵抗を六端子法で測定した。
• 磁場を電流方向に対して垂直（θ = 90°）から平行（θ = 0°）に回転させながら磁気抵抗を測定した。
• 低温（1.5–15 K）での抵抗率データからShubnikov-de Haas振動を抽出し、Lifshitz-Onsagerの量子化則に適合させた。
• Onsagerの関係式 F = (Φ₀/2π²)/A_F を用いてフェルミ面断面積を計算した。ここで Φ₀ = h/e である。
• Landau準位の番号 n に対する 1/B のプロットの切片からBerry位相 β を決定した。β = 1/2 は非自明なπ位相を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbAsは、Weylフェルミオンの存在を裏付けるサイクリック異常によって誘発される負の磁気抵抗を示すか？
• RQ2 NbAsにおけるサイクロトロン軌道を描く電子が蓄積するBerry位相は何か？これは非自明なトポロジーを示唆するか？
• RQ3 理論で予測された3次元ディラック/Weylフェルミオン系と整合するNbAsのフェルミ面はどのような形状か？
• RQ4 NbAsの電子移動度と低温における量子輸送特性は何か？
• RQ5 NbAsの磁気抵抗は、常識的な金属や他のWeyl半金属と比較してどう異なるか？

主な発見

• 磁場を電流方向に平行にしたとき、最大で−20%の負の磁気抵抗が観測され、これはNbAsにおけるサイクリック異常の直接的証明となった。
• Shubnikov-de Haas振動解析から非自明なπ Berry位相（β = 1/2）が抽出され、位相シフトの切片が0.119であった。これはトポロジカルなWeylフェルミオンを示している。
• 振動周波数25 Tから、フェルミ面断面積が2.38 × 10⁻³ Å⁻² であると決定された。
• NbAsは1.5 Kで2.45 × 10⁵ cm²/Vsという超高移動度を示し、高品質な電子状態を示している。
• 室温でも弱い磁場下で最大10,000%の線形磁気抵抗が観測された。
• 位相シフト δ = 0.119 は、3次元のひずみのあるフェルミ面と整合しており、系の3次元ディラック/Weyl性を支持している。