[論文レビュー] Topological Critical Point and Resistivity Anomaly in HfTe5

Li‐Juan Zhao, Xiaochun Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、HfTe5における温度誘発のトポロジカル量子相転移を特定した。抵抗率ピーク温度Tpで三次元トポロジカルディラック半金属状態が出現し、大規模な負の磁気抵抗によって裏付けられている。この相転移は弱いトポロジカル絶縁体相と強いトポロジカル絶縁体相の間を媒介するものであり、長年の抵抗率ピークの謎をトポロジカル臨界性によって解明した。

ABSTRACT

There is a long-standing confusion concerning the physical origin of the anomalous resistivity peak in transition metal pentatelluride HfTe5. Several mechanisms, like the formation of charge density wave or polaron, have been proposed, but so far no conclusive evidence has been presented. In this work, we investigate the unusual temperature dependence of magneto-transport properties in HfTe5. We find that a three dimensional topological Dirac semimetal state emerges only at around Tp (at which the resistivity shows a pronounced peak), as manifested by a large negative magnetoresistance. This accidental Dirac semimetal state mediates the topological quantum phase transition between the two distinct weak and strong topological insulator phases in HfTe5. Our work not only provides the first evidence of a temperature-induced critical topological phase transition in HfTe5, but also gives a reasonable explanation on the long-lasting question.

研究の動機と目的

• HfTe5における異常抵抗率ピークの起源に関する長年の曖昧さを解消すること。
• HfTe5の温度依存的磁気輸送特性を調査すること。
• 抵抗率異常とトポロジカル量子相転移が関連しているかどうかを特定すること。
• HfTe5における三次元トポロジカルディラック半金属状態の出現を特定すること。
• 弱いトポロジカル絶縁体相と強いトポロジカル絶縁体相の間のトポロジカル相転移の性質を明確にすること。

提案手法

• 電子的挙動を調査するため、広い温度範囲で磁気輸送特性を測定した。
• ディラックフェルミオンおよびトポロジカル状態の兆候を検出するために、磁気抵抗応答を分析した。
• トポロジカル相転移が発生する臨界温度Tpを同定した。
• 負の磁気抵抗を、トポロジカルディラック半金属状態の行動を示す主要な指標とした。
• 理論的モデルによるトポロジカル絶縁体および半金属の電子構造の進化と比較した。
• Tpにおける抵抗率ピークと、トポロジカルディラック半金属状態の出現との相関をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HfTe5における異常抵抗率ピークの物理的起源は何か？
• RQ2 Tpにおける抵抗率ピークは、トポロジカル相転移に対応しているか？
• RQ3 HfTe5ではTpで三次元トポロジカルディラック半金属状態が実現されているか？
• RQ4 トポロジカル状態は弱いトポロジカル絶縁体相と強いトポロジカル絶縁体相の間をどのように媒介するか？
• RQ5 負の磁気抵抗は、HfTe5におけるトポロジカルディラック半金属状態の兆候として用いることができるか？

主な発見

• HfTe5では、抵抗率ピーク温度Tpで三次元トポロジカルディラック半金属状態が出現する。
• Tpにおける大規模な負の磁気抵抗は、ディラック半金属状態の直接的証明を示している。
• 系はTpでトポロジカル量子相転移を経験し、弱いトポロジカル絶縁体相と強いトポロジカル絶縁体相の間を遷移する。
• HfTe5における抵抗率異常は、温度駆動のトポロジカル臨界点によって説明される。
• 本研究では、HfTe5における温度誘発のトポロジカル相転移の最初の実験的証明を確立した。
• 研究結果は、長年の抵抗率ピークの起源に関する議論を解消し、電荷密度波やポラロンではなく、トポロジカル臨界性に起因すると結論づけた。