[論文レビュー] Robust linear magnetoresistance in WTe2

Xingchen Pan, Yiming Pan+16 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

2D Materials and Applications参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、高品質なWTe2結晶において、60 Tまでおよび6.2 GPaの高圧下でも持続する頑健な線形磁気抵抗（LMR）を報告する。これは、フェルミ準位近くの準線形エネルギー分散に起因する。低磁場における移動度スペクトル解析からLMRが出現し、高磁場では放物型MRが優勢でなくなることから、WTe2における非飽和磁気抵抗の根本的な低限界が示され、磁場、キャリア不均衡、移動度抑制に対して頑健であることが示された。

ABSTRACT

Unsaturated magnetoresistance (MR) has been reported in WTe2, and remains irrepressible up to very high field. Intense optimization of the crystalline quality causes a squarely-increasing MR, as interpreted by perfect compensation of opposite carriers. Herein we report our observation of linear MR (LMR) in WTe2 crystals, the onset of which is first identified by constructing the mobility spectra of the MR at low fields. The LMR further intensifies and predominates at fields higher than 20 Tesla while the parabolic MR gradually decays. The LMR remains unsaturated up to a high field of 60 Tesla and persists, even at a high pressure of 6.2 GPa. Assisted by density functional theory calculations and detailed mobility spectra, we find the LMR to be robust against the applications of high field, broken carrier balance, and mobility suppression. Angle-resolved photoemission spectroscopy reveals a unique quasilinear energy dispersion near the Fermi level. Our results suggest that the robust LMR is the low bound of the unsaturated MR in WTe2.

研究の動機と目的

• 高磁場下でも顕著な残存する非飽和磁気抵抗の起源を特定すること。
• 極限条件下におけるWTe2における線形磁気抵抗（LMR）が、根本的な輸送応答として出現するかどうかを特定すること。
• 高磁場、圧力、キャリア不均衡に対するLMRの頑健性を調査すること。
• 角度分解光電子分光測定（ARPES）を用いて、観測されたLMRと電子バンド構造を結びつけること。
• 移動度スペクトルが低磁場におけるLMRの発現の兆候を信頼性高く特定できるかを明らかにすること。

提案手法

• 低磁場における線形磁気抵抗の発現を特定するため、磁気輸送測定から移動度スペクトルを構築した。
• 磁気抵抗の飽和行動を評価するため、最大60 Tまでの高磁場磁気輸送測定を実施した。
• 構造的および電子的摂動に対してLMRの頑健性をテストするため、静水圧を最大6.2 GPaまで適用した。
• 電子バンド構造をモデル化し、フェルミ準位近くの準線形分散の存在を確認するため、密度汎関数理論（DFT）計算を実行した。
• エネルギー分散を直接観測し、理論的予測を検証するため、角度分解光電子分光測定（ARPES）を実施した。
• ドーピングおよび磁場条件を変化させたときの輸送応答を比較することで、キャリア不均衡とLMRの相乗的相互作用を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WTe2における高磁場下での持続的線形磁気抵抗の原因は何か？
• RQ2 線形磁気抵抗は、高磁場や圧力といった極限条件下でどのように応答するか？
• RQ3 線形磁気抵抗は、特定の電子バンド構造的特徴（例：準線形分散）と関連しているか？
• RQ4 移動度スペクトル解析は、WTe2における線形磁気抵抗の発現を信頼性高く特定できるか？
• RQ5 キャリア不均衡は、線形磁気抵抗と放物型磁気抵抗の安定性および優位性にどのように影響するか？

主な発見

• 線形磁気抵抗は低磁場で出現し、20 Tを超えると支配的寄与にまで成長するが、放物型磁気抵抗は徐々に減衰する。
• 線形磁気抵抗は60 Tまで非飽和のままであり、強固な非飽和応答を示している。
• 6.2 GPaの静水圧下でもLMRは持続し、電子的および構造的摂動に対して耐性があることを示した。
• 角度分解光電子分光測定により、フェルミ準位近くに準線形エネルギー分散が観測され、LMRの起源を支持する結果が得られた。
• 移動度スペクトル解析により、LMRの発現が、相反するキャリアの完全またはほぼ完全な補償に起因することが確認された。
• 密度汎関数理論計算により、フェルミ面近傍に線形バンド構造が存在することが裏付けられ、観測された輸送挙動と整合的であった。