[論文レビュー] Quantum oscillation of thermal conductivity and violation of Weidemann-Franz law in TaAs$_2$ and NbAs$_2$

Xin Rao, Xian Zhao+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Theoretical and Computational Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温（1 K未塔）においてTaAs₂およびNbAs₂単結晶でWeidemann-Franz則の顕著な破れが報告された。電子的熱伝導度はT⁴に従うが、抵抗率はTに依存しない。14 Tまでの高磁場下における熱伝導度の量子振動から、非自明なBerry位相が明らかとなり、Fermi液体の破れと、これらのタイプ-II Weyl半金属候補における非Fermi液体的物理の証拠が得られた。

ABSTRACT

We report a study of thermal conductivity and resistivity at ultra-low temperatures and in high magnetic fields for semi-metal materials TaAs$_2$ and NbAs$_2$ by using single crystal samples. The thermal conductivity is strongly suppressed in magnetic fields, having good correspondence with the large positive magnetoresistance, which indicates a dominant electronic contribution to thermal conductivity. In addition, not only the resistivity but also the thermal conductivity display clear quantum oscillations behavior at subKelvin temperatures and in magnetic fields up to 14 T. The most striking phenomenon is that the thermal conductivity show a $T^4$ behavior at very low temperatures, while the resistivity show a $T$-independent behavior. This indicates a strong violation of the Weidemann-Franz law and points to a non-Feimi liquid state of these materials.

研究の動機と目的

• 超低温度および高磁場下におけるTaAs₂およびNbAs₂の電子輸送の性質を調査すること。
• 特に絶対零度極限におけるこれらの半金属系においてWeidemann-Franz則の妥当性を検証すること。
• 量子振動測定を用いて、熱的および電気的輸送の電子的起源を解明すること。
• 観測された輸送異常が、これらのトポロジカル半金属におけるFermi液体理論の破れを示しているかどうかを特定すること。

提案手法

• TaAs₂およびNbAs₂の単結晶は化学気相成長法で調製され、結晶学的軸に沿って切断され、正確な輸送測定が行われた。
• 低温度抵抗率は、標準的な四端子法を用いて測定され、キャリアのダイナミクスが評価された。
• 熱伝導度は『1ヒーター、2温度計』法を用いて測定され、電子的寄与が分離された。
• Landau準位のファン図を用いて熱伝導度の量子振動を解析し、Shubnikov–de Haas（SdH）振動と比較した。
• 熱伝導度と抵抗率の振動間の位相差を用いて、Weidemann-Franz則の破れを特定した。
• Landau準位のインデックス割り当てから非自明なBerry位相を抽出し、フェルミ面ポケットのトポロジカル特性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaAs₂およびNbAs₂において、超低温度、特にT → 0極限においてWeidemann-Franz則が成立するか？
• RQ2 零磁場下における電子的熱伝導度のT⁴依存性の起源は何か？
• RQ3 熱伝導度の量子振動と抵抗率の量子振動はどのように比較できるか？また、フェルミ面のトポロジーに関して何を明らかにするか？
• RQ4 熱的および電気的振動の間の観測された位相差は、非Fermi液体的挙動の特定に利用できるか？
• RQ5 Berry曲率およびトポロジカルバンド構造は、これらの材料におけるFermi液体理論の破れにどのように寄与しているか？

主な発見

• TaAs₂およびNbAs₂における電子的熱伝導度は、超低温でT⁴依存性を示し、Fermi液体理論の予測とは顕著に逸脱している。
• 非常に低温域では抵抗率が温度依存性を示さないため、温度依存性の散乱機構が存在しないことが確認された。
• T⁴依存性の熱伝導度とTに依存しない抵抗率の組み合わせにより、Weidemann-Franz則の明確な破れが生じた。
• 熱伝導度の量子振動は14 Tまで観測され、3つの明確な周波数（Fα = 56 T、Fβ = 36 T、Fδ = 16.8 T）が特定された。
• 熱伝導度振動の位相はSdH振動に対してπ/2のシフトを示し、Weidemann-Franz則の破れが確認された。
• Landau準位のファン図から、すべてのフェルミ面ポケット（α、β、δ）に対して非自明なBerry位相（φ ≈ π）が得られ、トポロジカル特性が裏付けられた。