[論文レビュー] Topological phase transition induced extreme magnetoresistance in TaSb$_{2}$

Zheng Wang, Yupeng Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、1.5 Kおよび15 Tで単結晶TaSb₂において172万%にのぼる極端な磁気抵抗（XMR）を報告している。これは、0.1%未塔の不一致でほぼ完全な電子・正孔補償が生じるためである。XMRは、主な正孔フェルミ表面からの浅いショルダー準位ポケットの消失によって引き起こされるトポロジカル相転移によって、二次関数的場依存性（MR ∝ B¹.⁹⁶）を示す。このことは、量子振動とDFT計算によって確認されており、20 Kおよび60 Kに二つのリフシッツ転移が存在することが判明した。

ABSTRACT

We report extremely large positive magnetoresistance of 1.72 million percent in single crystal TaSb$_{2}$ at moderate conditions of 1.5 K and 15 T. The quadratic growth of magnetoresistance (MR $\propto\,B^{1.96}$) is not saturating up to 15 T, a manifestation of nearly perfect compensation with $<0.1\%$ mismatch between electron and hole pockets in this semimetal. The compensation mechanism is confirmed by temperature-dependent MR, Hall and thermoelectric coefficients of Nernst and Seebeck, revealing two pronounced Fermi surface reconstruction processes without spontaneous symmetry breaking, extit{i.e.} Lifshitz transitions, at around 20 K and 60 K, respectively. Using quantum oscillations of magnetoresistance and magnetic susceptibility, supported by density-functional theory calculations, we determined that the main hole Fermi surface of TaSb$_{2}$ forms a unique shoulder structure along the $F-L$ line. The flat band top of this shoulder pocket is just a few meV above the Fermi level, leading to the observed topological phase transition at 20 K when the shoulder pocket disappears. Further increase in temperature pushes the Fermi level to the band top of the main hole pocket, induced the second Lifshitz transition at 60 K when hole pocket vanishes completely.

研究の動機と目的

• トポロジカル半金属であるTaSb₂における極端な磁気抵抗（XMR）の起源を解明すること。
• 電子・正孔補償およびフェルミ表面トポロジーが非飽和XMRを維持する役割を特定すること。
• 20 Kおよび60 Kで観測されたトポロジカル相転移の物理的メカニズムを同定すること。
• F-L方向に特徴的なショルダー準位ポケットを含むフェルミ表面幾何学的構造がXMR挙動およびリフシッツ転移に与える影響を結びつけること。

提案手法

• 単結晶TaSb₂は、ヨウ素を輸送剤として用いた二段階蒸発輸送法により合成された。
• 1.5 Kまで冷却した状態で、キャリア補償およびフェルミ表面トポロジーを調べるために、磁気抵抗（MR）、ホール効果、ネルンスト効果、サーモエレクトリック係数の測定が実施された。
• 磁気抵抗および磁化率の量子振動を、SdH効果を用いて解析し、フェルミ表面パラメータを抽出し、明確に分離されたポケットを同定した。
• 電子バンド構造のモデル化、特にスピン軌道結合（SOC）の影響を含めた密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、ショルダー準位ポケットの形成およびトポロジカル不変量の解明を行った。
• 量子振動データの高速フーリエ変換（FFT）を適用し、電子および正孔ポケットの振動周波数と有効質量を抽出した。
• 温度依存測定を用いて、20 Kおよび60 Kに位置するリフシッツ転移を同定した。それぞれ、ショルダー準位ポケットおよび主な正孔ポケットの消失に対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaSb₂に観測された極端で非飽和の磁気抵抗は、なぜ発生するのか。また、15 Tまで二次関数的場依存性（B¹.⁹⁶）を示すのはなぜか。
• RQ2 フェルミ表面トポロジー、特に浅いショルダー準位ポケットの存在が、観測されたトポロジカル相転移にどのように影響を与えるか。
• RQ3 電子・正孔補償がXMRを維持する役割を果たすが、TaSb₂におけるこの補償の正確さはどの程度か。
• RQ4 20 Kを超えると磁気抵抗が急激に低下するが、これは電子・正孔補償が継続しているにもかかわらずなぜか。
• RQ5 スピン軌道結合およびバンド反転は、TaSb₂における特異なフェルミ表面構造の形成にどのように寄与するか。

主な発見

• TaSb₂は1.5 Kおよび15 Tで172万%にのぼる極めて大きな正の磁気抵抗を示し、MRはB¹.⁹⁶に比例しており、ほぼ完全な電子・正孔補償が示されている。
• 電子と正孔の密度の不一致は0.1%未塔であり、WTe₂の4%未塔に比べて極めて正確な補償が実現している。
• 20 Kおよび60 Kに二つのリフシッツ転移が存在し、それぞれショルダー準位ポケットおよび主な正孔ポケットの消失に対応しており、温度依存量子振動によって確認された。
• DFT計算により、F-L方向に沿った主な正孔フェルミ表面に特徴的なショルダー準位ポケットが存在することが判明した。これは0.45 eVでスピン軌道結合に起因するバンドギャップの開口によって形成され、Z₂不変量[0;(111)]を示し、トポロジカル半金属の性質を示している。
• 1.5 Kでフェルミ準位から約9 meV上にあるショルダー準位ポケットは、そのトポロジカル的意義および20 Kでの最初のリフシッツ転移を説明する。
• フェルミ表面トポロジー、特にF₁点付近の二重サドル型構造および浅いショルダー準位ポケットの存在が、単なる補償を超えたXMR挙動の主要因であると特定された。