[論文レビュー] Pi Berry phase and Zeeman splitting of TaP probed by high field magnetotransport measurements

Jin Hu, J. Y. Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 56被引用数 63

ひとこと要約

本研究では、31 Tに達する高磁場下での磁電気輸送測定を用いて、TaP単結晶のトポロジカル電子的性質を調査した。非自明なπ Berry位相が複数のフェルミポケットで観測され、高磁場下でのゼーマン分裂が確認され、Landé g因子の抽出が可能になった。主な証拠は、Shubnikov-de Haas効果の一般化されたLifshitz-Kosevich解析によるものである。

ABSTRACT

The chiral anomaly-induced negative magnetoresistance and non-trivial Berry phase are two fundamental transport properties associated with the topological properties of Weyl fermions. In this work, we report the quantum transport of TaP single crystals in magnetic field up to 31T. Through the analyses of our magnetotransport data, we show TaP has the signatures of a Weyl state, including light effective quasiparticle masses, ultrahigh carrier mobility, as well as negative longitudinal magnetoresistance. Furthermore, we have generalized the Lifshitz-Kosevich formula for Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations with multi-frequencies, and determined the non-trivial Berry phase of Pi for multiple Fermi pockets in TaP through the direct fitting of the quantum oscillations. In high fields, we also probed signatures of Zeeman splitting, from which the Landé g-factor is extracted.

研究の動機と目的

• 極限的な磁場下におけるTaP単結晶のトポロジカル電子構造を調査すること。
• TaPの複数のフェルミポケットに非自明なBerry位相が存在するかを特定すること。
• 高磁場下でのゼーマン分裂効果を調査し、Landé g因子を抽出すること。
• 負の磁気抵抗および超高移動度といった量子輸送的兆候を通じて、TaPのWeyl半金属性を検証すること。

提案手法

• 31 Tに達する高磁場下での磁電気輸送測定を用いて、量子揺らぎおよび磁気抵抗を調査した。
• 多周期のShubnikov-de Haas効果を解析するために、一般化されたLifshitz-Kosevich式を適用した。
• 量子揺らぎ位相の直接フィッティングを用いて、複数のフェルミ表面ポケットに対してπのBerry位相を抽出した。
• 高磁場下の揺らぎデータからゼーマン分裂を特定し、Landé g因子を決定した。
• 量子揺らぎ周波数および振幅から、有効準粒子質量およびキャリア移動度を抽出した。
• 負の縦磁気抵抗を測定し、キラル異常効果と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaPは、高磁場下におけるフェルミ表面ポケットで非自明なπ Berry位相を示すか？
• RQ2 高磁場量子揺らぎにおけるゼーマン分裂から、TaPのLandé g因子はどのように導出されるか？
• RQ3 観測された量子揺らぎが、TaPのWeylフェルミオン性をどの程度確認できるか？
• RQ4 TaPにおける有効準粒子質量およびキャリア移動度は、Weyl半金属に予想される値と比較してどうなるか？
• RQ5 一般化されたLifshitz-Kosevich形式は、TaPにおける多周期Shubnikov-de Haas効果を正確に記述できるか？

主な発見

• Shubnikov-de Haas効果の位相フィッティングにより、TaPの複数のフェルミポケットに対して非自明なBerry位相πが直接確認された。
• 高磁場下でのゼーマン分裂から、TaPのLandé g因子が抽出され、強いスピン軌道結合を示唆した。
• 超高移動度および軽量の有効準粒子質量が観測され、Weylフェルミオン行動と整合的であった。
• 負の縦磁気抵抗が測定され、TaPにおけるキラル異常効果の証拠が得られた。
• 一般化されたLifshitz-Kosevich式は多周期量子揺らぎを正確に記述でき、精密な位相および振幅解析が可能になった。
• 量子揺らぎ位相、ゼーマン分裂、および負の磁気抵抗の組み合わせが、TaPがWeyl半金属である強力な証拠を提供した。