[論文レビュー] The large unsaturated magnetoresistance of Weyl semimetals

Yiming Pan, Huaiqiang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、タニシュチトゥークアルコイド（TaAs）、ニオブiumアラニド（NbAs）、ニオブiumホスファイト（NbP）などのワイル半金属における大きな不飽和磁気抵抗（XMR）を説明するため、拡張された有効媒質理論（EMT）を提案する。キラル異常効果を組み込むことで、高磁場領域におけるXMRのべき乗則的依存性と実験と整合する「オン・フィールド」を予測する一方で、電場と磁場のなす角度が小さい領域ではキラル異常寄与による正磁気抵抗から負磁気抵抗への遷移を明らかにする。

ABSTRACT

The Weyl semimetal (WSM) is a novel topological gapless state with promises exotic transport due to chiral anomaly. Recently, a family of nonmagnetic WSM candidates including TaAs, NbAs, NbP etc is confirmed by first principle calculation and experiments. The TaAs family are reported to display the large unsaturated magnetoresistance (XMR), which have not yet been explained. Here, we give a theoretical calculation of XMR based on the extended effective-medium approach to Weyl semimetals. We predict the power law of XMR at high magnetic field and the "turn-on" magnetic field, which are well in agreement with experiments data. Furthermore, we investigate the $θ$-dependence magnetoresistance and find the transition between the postive XMR and the negative magnetoresistance induced by chiral anomaly, which should be confirmed by further experiments.

研究の動機と目的

• ワイル半金属（TaAs、NbAs、NbPなど）における実験的に観測された大きな不飽和磁気抵抗（XMR）を説明すること。これは、完全な理論的説明が欠けている。
• 磁場依存的特性としての二次関数的からほぼ線形へのXMR挙動の遷移、特に実験で観測された「オン・フィールド」H* を説明すること。
• 有効媒質理論（EMT）にキラル異常効果を組み込み、ワイル半金属における異常輸送特性を記述すること。
• 電場と磁場のなす角度に依存する磁気抵抗の挙動を予測し、特に磁場が電場とほぼ平行にある場合にキラル異常が引き起こす正MRから負MRへの遷移を明らかにすること。

提案手法

• ワイル半金属に拡張有効媒質理論（EMT）を適用し、通常のおよび異常電導度寄与を持つ複合媒質として系を扱う。
• 全電導度テンソルは σαβ(t) = σαβ − εαβηbη + γBαBβ としてモデル化される。ここで bη は異常ホール電導度を表し、γ はキラル磁気効果を表す。
• キラル異常は、磁場に依存するキラルエネルギーシフト Δμ ∝ E·B を介して組み込まれ、キラル電流 jch = γ(E·B)B が得られる。ここで γ = e⁴τi/(4π⁴g(εF)) である。
• 自己無撞着なEMT方程式を非補償キャリア系（n ≠ p）に対して解き、移動度およびキャリア濃度比の現実的なパラメータ化を可能にする。
• 磁気抵抗の角度依存性は、磁場を平行成分（Hcosθ）と垂直成分（Hsinθ）に分解することでモデル化され、前者はキラル異常、後者は通常の電導度に寄与する。
• キラル異常効果の相対的強さを定量化する次元なしパラメータ δ = μ′/μ = √(γ/σ₀)/μ が導入され、正MRから負MRへの遷移の分析が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaAs、NbAs、NbP などのワイル半金属で観測された大きな不飽和磁気抵抗の起源は何か？
• RQ2 有効媒質理論が、高磁場領域における磁気抵抗のべき乗則的スケーリングおよび「オン・フィールド」H* をどのように説明できるか？
• RQ3 キラル異常は、電場と磁場のなす角度に依存して正磁気抵抗から負磁気抵抗への遷移を引き起こすが、そのメカニズムは何か？
• RQ4 キャリア濃度の不釣り合い（n > p）および移動度の差が観測される磁気抵抗挙動に与える影響は何か？
• RQ5 拡張EMTモデルは、角度依存性を含めた実験的磁気抵抗データを定量的に再現できるか？

主な発見

• 拡張EMTは、高磁場領域における磁気抵抗がべき乗則的依存性を示すことを予測し、TaAsおよび関連ワイル半金属における実験観測と一致する指数を持つ。
• モデルは「オン・フィールド」H* を成功裏に再現し、二次関数的からほぼ線形へのMR挙動の遷移を実験データと定性的に一致させる。
• キャリア補償系（n = p）では、移動度比 μn/μp が低下するにつれて、MRのべき乗則が弱まり、低磁場領域で二次関数的挙動から逸脱することが示される。
• 理論的には、EとBのなす角度が小さい領域でキラル異常寄与により正MRから負MRへの遷移が予測され、その遷移磁場はパラメータ δ = μ′/μ に依存する。
• キラル異常によって誘発される負磁気抵抗は小さく（δ ≪ 1）なるため、支配的である正XMR背景の影響により、実験的に検出することが困難である。
• 等高線プロットから、正MRから負MRへの遷移が臨界角度および臨界磁場強度で発生することが示され、キラル異常効果が強くなると遷移が低磁場側にシフトすることが明らかになる。