[論文レビュー] Observation of Negative Magnetoresistance and nontrivial $\pi$ 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 6

ひとこと要約

本研究では、三浦性のウェイル半金属NbAsにおいて、負の磁気抵抗および非自明なπ Berry位相の実験的観測を初めて報告し、ウェイルフェルミオンおよびキラル異常（chiral anomaly）の存在を確認した。高品質な単結晶と輸送測定を用いて、平行磁場配置下でのキラル異常誘発負磁気抵抗を示し、Shubnikov–de Haas振動からπ Berry位相を抽出した。これにより、NbAsにおけるトポロジカル的ウェイルノードの直接的証明が得られた。

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 $\pi$, indicating the existence of Weyl points.

研究の動機と目的

• 磁気抵抗の異方性を測定することで、3次元ウェイル半金属におけるキラル異常の直接的実験的証明を提供すること。
• 量子振動を用いた非自明なπ Berry位相の検出を通じて、NbAsにおけるウェイルノードの存在を検証すること。
• 常識的金属をはるかに超えるトポロジカル量子現象の研究のための堅牢なプラットフォームとしてNbAsを確立すること。
• 同一の高品質単結晶において負磁気抵抗および非自明なBerry位相の両方を示すことで、以前の矛盾する報告を解消すること。

提案手法

• ヨウ素を輸送剤として用いた蒸気輸送法による高品質単結晶NbAsの成長。
• 粉末X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピ（EDS）を用いて結晶構造および化学 stoichiometry の確認。
• 六端子法を用いて、高精度な縦方向抵抗および横方向ホール抵抗の測定。
• 磁場の方向角（θ）を変化させた条件下での磁気抵抗測定により、磁場方向依存性の調査。
• Shubnikov–de Haas振動の解析を通じて、サイクロトロン軌道に沿ったBerry位相の抽出。
• 単結晶X線回折を用いて(112)面を特定し、狭いロッキングカーブ（FWHM = 0.03°）により結晶品質の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測通りキラル異常によって誘発される平行磁場および電流配置（θ = 0°）下で、NbAsは負磁気抵抗を示すか？
• RQ2 NbAsにおけるサイクロトロン軌道に沿った積算Berry位相は、ウェイルフェルミオンに予測される非自明なπ位相と整合的か？
• RQ3 高品質なNbAs単結晶は、負磁気抵抗および非自明なπ Berry位相を同時に示せるか？これによりウェイル半金属的性質が確認できるか？
• RQ4 NbAsにおける磁気抵抗の異方性は、常識的金属と比べてどう異なるか？これにより電子構造に何が示唆されるか？
• RQ5 対称性の破れは、NbAsにおけるウェイルノードの安定化に果たす役割は何か？その影響は輸送的特徴にどのように現れるか？

主な発見

• 磁場を電流と平行に配置した場合（θ = 0°）、最大-10%の負磁気抵抗が観測され、NbAsにおけるキラル異常の確認が得られた。
• θ = 90°（垂直磁場）では最大10,000%の大きな正磁気抵抗が測定され、強い磁場依存性および異方性が顕著に現れた。
• 非常に低い磁場でも明確なShubnikov–de Haas振動が観測されたことから、高キャリア移動度および量子コherenecの高さが示された。
• SdH振動解析から抽出されたBerry位相はπであったことから、NbAsにウェイルノードが存在する直接的証明が得られた。
• XRDおよびEDS（Nb:As = 49.4:50.6）により確認された高品質単結晶は、FWHM = 0.03°の狭いロッキングカーブを示し、優れた結晶性を示した。
• 観測された輸送的挙動（負磁気抵抗およびπ Berry位相）は、NbAsのような時間反転不変3次元ウェイル半金属の理論的予測と整合的であった。