[論文レビュー] Sign reversal of magnetoresistivity in massive nodal-line semimetals due to Lifshitz transition of Fermi surface

Min-Xue Yang, Hao Geng+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 76被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、スピン軌道結合を有する巨大なノードライン半金属において、外部磁場が軌道磁気モーメントに結合することでトーラス型フェルミ表面のリフシッツ遷移を誘発し、磁気抵抗率（MR）の符号反転（正から負へ）を引き起こすことを提案する。主な発見は、磁場によって誘発されるフェルミ表面トポロジーの変化が、MRの符号を直接制御することであり、純粋なベリー曲率効果とは異なる、新たなメカニズムを確立する。

ABSTRACT

Topological nodal-line semimetals offer an interesting research platform to explore novel phenomena associated with its torus-shaped Fermi surface. Here, we study magnetotransport in the massive nodal-line semimetal with spin-orbit coupling and finite Berry curvature distribution which exists in many candidates. The magnetic field leads to a deformation of the Fermi torus through its coupling to the orbital magnetic moment, which turns out to be the main scenario of the magnetoresistivity (MR) induced by the Berry curvature effect. We show that a small deformation of the Fermi surface yields a positive MR $\propto B^2$, different from the negative MR by pure Berry curvature effect in other topological systems. As the magnetic field increases to a critical value, a topological Lifshitz transition of the Fermi surface can be induced, and the MR inverts its sign at the same time. The temperature dependence of the MR is investigated, which shows a totally different behavior before and after the Lifshitz transition. Our work uncovers a novel scenario of the MR induced solely by the deformation of the Fermi surface and establishes a relation between the Fermi surface topology and the sign of the MR.

研究の動機と目的

• 外部磁場によるフェルミ表面の変形が、巨大なノードライン半金属における磁気輸送に与える影響を調査すること。
• 軌道磁気モーメント（OMM）がフェルミ表面トポロジーをどのように変化させ、磁気抵抗率（MR）に与える影響を明確化すること。
• 非自明なフェルミ表面幾何におけるトポロジカルなリフシッツ遷移とベリー曲率効果の相乗作用を調査すること。
• トポロジカル半金属におけるフェルミ表面トポロジーとMRの符号の直接的な関連を確立すること。
• 磁場下におけるノードライン系の新たな輸送シグネチャーを特定する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 巨大なノードライン半金属における電子輸送をモデル化するため、拡散限界における半古典的ボルツマン輸送形式を採用した。
• 外部磁場Bに結合する軌道磁気モーメント（OMM）を介して、非一様なベリー曲率分布の効果を組み込んだ。
• 増加するB場下におけるトーラス型フェルミ表面の進化を追跡し、トポロジカルなリフシッツ遷移を引き起こす臨界磁場強度を同定した。
• MRをB場の関数として計算し、OMM由来のフェルミ表面変形と純粋なベリー曲率効果の寄与を区別した。
• 遷移前後におけるMRの温度依存性を分析し、比較した。
• スピン軌道結合を有する最小限のモデルを用いて、運動量空間に有限のベリー曲率を生成し、OMMの形成を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大なノードライン半金属における電子の軌道磁気モーメント（OMM）は、外部磁場下でフェルミ表面をどのように変形するか？
• RQ2 フェルミ表面の変形が、これらの系における磁気抵抗率（MR）の符号を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 磁場はノードライン半金属のフェルミ表面にトポロジカルなリフシッツ遷移を誘発できるか？ その輸送的シグネチャーは何か？
• RQ4 リフシッツ遷移前後で、MRの温度依存性はどのように異なるか？
• RQ5 この系におけるMRの符号反転は、純粋なベリー曲率効果ではなく、OMM由来のフェルミ表面変形に起因するか？

主な発見

• 微小な磁場が、軌道磁気モーメント（OMM）に結合することで、トーラス型フェルミ表面にわずかな変形を引き起こし、MR ∝ B² の正のMRが生じる。
• 臨界磁場に達すると、トポロジカルなリフシッツ遷移が発生し、フェルミ表面は genus one から genus zero に変化し、それに伴いMRの符号が反転する。
• MRの符号反転は、チャープ・アノマリーまたは他のベリー曲率効果とは無関係に、フェルミ表面幾何のトポロジカル変化に直接関連している。
• MRの温度依存性は明確に異なる挙動を示す：遷移前は低磁場域で二次関数的B²依存、遷移後は異なる磁場スケーリングを示す。
• OMM由来のフェルミ表面変形が、MRの主因であると特定され、他のトポロジカル系における純粋なベリー曲率効果による負のMRとは対照的である。
• 本研究は、外部磁場を用いたフェルミ表面トポロジーの工学的制御により、ノードライン半金属におけるMR制御の新たなメカニズムを確立した。