[論文レビュー] Shubnikov-de Haas Oscillations and Nontrivial Topological State in a New Weyl Semimetal Candidate SmAlSi

Longmeng Xu, Haoyu Niu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、量子磁気輸送測定および第一原理計算を通じて、SmAlSiを新しいウェイル半金属候補として同定した。2 K、48 Tで約5200%の大きな非飽和磁気抵抗、非自明なπ Berry位相を示すShubnikov-de Haas振動、および電子・正孔補償と高い移動度を示すフェルミ面ポケットが確認され、ウェイルフェルミオンに類似した非自明なトポロジカル状態が裏付けられた。

ABSTRACT

We perform the quantum magnetotransport measurements and first-principles calculations on high quality single crystals of SmAlSi, a new topological Weyl semimetal candidate. At low temperatures, SmAlSi exhibits large non-saturated magnetoresistance (MR)~5200% (at 2 K, 48 T) and prominent Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, where MRs follow the power-law field dependence with exponent 1.52 at low fields (μ0H < 15 T) and linear behavior 1 under high fields (μ0H > 18 T). The analysis of angle dependent SdH oscillations reveal two fundamental frequencies originated from the Fermi surface (FS) pockets with non-trivial π Berry phases, small cyclotron mass and electron-hole compensation with high mobility at 2 K. In combination with the calculated nontrivial electronic band structure, SmAlSi is proposed to be a paradigm for understanding the Weyl fermions in the topological materials.

研究の動機と目的

• SmAlSiの電子的およびトポロジカル性質を調査すること。
• 量子振動測定およびバンド構造計算を通じて、SmAlSiがウェイルフェルミオンを有するかどうかを特定すること。
• 角度依存性Shubnikov-de Haas振動を用いてフェルミ面トポロジーやキャリアダイナミクスを特徴付けること。
• 観測された量子振動と材料内の非自明なトポロジカル不変量との関係を確立すること。

提案手法

• 低温度（2 K）および高磁場（最大48 T）における高品質単結晶SmAlSiを用いた量子磁気輸送測定を実施した。
• フェルミ面ポケットの周波数およびBerry位相情報を抽出するために、角度依存性Shubnikov-de Haas振動を分析した。
• バンド分散の計算およびタイプ-IIウェイル点の存在を確認するために、第一原理電子構造計算を用いた。
• 散乱メカニズムおよびキャリア補償を推察するために、磁気抵抗のべき乗則的および線形場依存性を分析した。
• SdH振動の振幅および周波数から、サイクロトロン有効質量およびキャリア移動度を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmAlSiは、非自明なトポロジーを持つフェルミ面を示す量子振動を示すか？
• RQ2 SmAlSiのフェルミ面ポケットの性質は何か？ また、非自明なBerry位相を有するか？
• RQ3 SmAlSiにおける磁気抵抗の場依存性は、キャリア補償および散乱メカニズムをどのように反映するか？
• RQ4 第一原理計算は、SmAlSiにウェイルフェルミオンの存在をどの程度支持するか？
• RQ5 観測されたフェルミ面ポケットにおけるキャリアの有効質量および移動度は何か？

主な発見

• SmAlSiは2 K、48 Tで約5200%の大きな非飽和磁気抵抗を示し、強い量子輸送効果を示している。
• 角度依存性Shubnikov-de Haas振動により、非自明なπ Berry位相を示す2つの異なるフェルミ面ポケットが特定され、トポロジカル性が示された。
• 観測されたフェルミ面ポケットは電子・正孔補償および2 Kでの高いキャリア移動度を示しており、高品質単結晶に一致する。
• 磁気抵抗は低磁場領域（μ₀H < 15 T）でべき乗則的依存性（指数1.52）を示し、高磁場領域（μ₀H > 18 T）では線形挙動に移行する。
• 第一原理計算により、非自明な電子バンド構造とタイプ-IIウェイル点の存在が確認され、SmAlSiのトポロジカル性が支持された。
• サイクロトロン有効質量は小さく、さらに高い移動度および一貫性のある準粒子行動を示唆している。