[論文レビュー] Quantum Phase Transitions in Weyl Semimetal Tantalum Monophosphide

Chenglong Zhang, Chi‐Cheng Lee+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、タナールモノホスファイド（TaP）である3次元トポロジカルウェイル半金属において、磁場駆動型の量子相転移が初めて報告された。強い磁場下では、ウェイルフェルミオンが最低ランダウ準位に閉じ込められ、その結果、集団状態の寄与が臨界磁場 $H^*$ で消えることにより、ホール抵抗率の急激な符号反転が発生する。これは、電子相関が駆動する新しいトポロジカル相転移を示している。

ABSTRACT

Magnetic fields perturb the motion of charged quasi-particles in solids in different ways including driving a quantum phase transition to a new state. Well-known examples include the integer and fractional quantum Hall effects \cite{FQHE,QHE_von} and the magnetic field-induced quantum phase transitions in topologically trivial semimetals such as graphite and bismuth \cite{graphite_CDW_experi1,graphite_CDW_experi2,CDW1,CDW_Bi}. A Weyl semimetal provides the first-ever realization of Weyl fermions. Such an exotic metal is characterized by the topological charges, which are momentum space monopoles and anti-monopoles that arise from the distinct chiralities of the Weyl fermions. Here we report a new quantum phase transition that arises from the Weyl fermionic quasiparticles in the Weyl semimetal tantalum monophosphide, TaP, under an intense magnetic field. We observed a sharp sign reversal of the Hall resistivity when the Weyl fermions are confined to the lowest Landau level. In this exotic chiral electron subband of a Weyl semimetal, which was never been studied experimentally beforehand, the Weyl fermions form an unexpected, collective state whose contribution to the Hall signal suddenly vanishes at a critical magnetic field ($H^{\ast}$) where the Weyl fermions enter the lowest Landau level. Our results taken collectively represent the first magnetic-field-driven quantum phase transition in a 3D bulk topological material and may suggest the emergence of new topological phases due to electronic correlations.

研究の動機と目的

• 強い磁場下における3次元トポロジカルウェイル半金属の量子相転移を調査すること。
• バルクトポロジカル材料におけるウェイルフェルミオンが最低ランダウ準位に閉じ込められたときの挙動を調査すること。
• 電子相関がウェイルフェルミオン系に集団状態を生じさせることを特定すること。
• TaPの量子ホール応答から、新しいトポロジカル相の兆候を同定すること。

提案手法

• ウェイルフェルミオンのランダウ準位量子化を誘発するため、強力な磁場をTaPに印加すること。
• 変化する磁場下での縦方向および横方向抵抗率を測定し、ホール応答を調べること。
• ホール抵抗率が急激に符号反転する臨界磁場 $H^*$ を特定すること。
• 磁場下での電子構造を解析し、最低ランダウ準位におけるキラル電子準位帯の形成を確認すること。
• ウェイル半金属におけるキラル異常およびランダウ準位量子化の理論予測と比較すること。
• 輸送測定を用いて、キラル準位帯内での集団状態の出現を検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場下でウェイルフェルミオンが最低ランダウ準位に閉じ込められたとき、TaPのホール抵抗率はどのように変化するか？
• RQ2 最低ランダウ準位におけるキラル電子準位帯の形成が、TaPにおける新しい量子相転移を引き起こすか？
• RQ3 ウェイル半金属における電子相関が、ホール応答を抑制する集団状態を生じさせ得るか？
• RQ4 ホール抵抗率の符号が反転する臨界磁場 $H^*$ は何か？ そしてこれは電子状態にどのような意味を持つのか？
• RQ5 この相転移は、3次元バルクウェイル半金属における新しいトポロジカル相の兆しなのか？

主な発見

• 臨界磁場 $H^*$ において、TaPでホール抵抗率の急激な符号反転が観測され、これは量子相転移を示している。
• 符号反転は、ウェイルフェルミオンが最低ランダウ準位に閉じ込められたときに発生し、新しい電子状態への転移を示している。
• $H^*$ においてホール信号の寄与が急激に消失するため、キラル準位帯内に集団状態が出現していると示唆される。
• これは、3次元バルクトポロジカル材料における磁場駆動型量子相転移の初回の実験的観測である。
• 結果から、電子相関がウェイル半金属における新しいトポロジカル相の形成を駆動する可能性があると示唆される。
• 観測された現象は、キラルランダウ準位帯に特有であり、これまでに実験的に調査されていなかった。