[論文レビュー] Transport signatures of surface states in a Weyl semimetal: evidence of field driven Fermi arc interferometry

Nityan Nair, Marie-Eve Boulanger+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、代表的なワイル半金属であるTaAsの(001)面における異なるフェルミ弧を通るコherentな準粒子の場駆動量子干渉を示した。高磁場シュビニコフ＝デ・ハース測定を用いて、表面状態間の干渉に一致する二次元のサイクロトロン軌道を同定し、トポロジカルに保護されたフェルミ弧状態およびその磁場下における量子力学的波動関数のコherー二ティを直接的な輸送的証拠として得た。

ABSTRACT

A signature property of Weyl semimetals is the existence of topologically protected surface states - arcs in momentum space that connect Weyl points in the bulk. However, the presence of bulks states makes detection of surface contributions to the transport challenging. Here we present a magnetoresistance study of high-quality samples of the prototypical Weyl semimetal, TaAs. By measuring the Shubnikov de Haas effect, we reveal the presence of a two-dimensional cyclotron orbit. This orbit is quantitatively consistent with the interference of coherent quasiparticles traversing two distinct Fermi arcs on the [001] crystallographic surface. The observation of this effect suggests that high magnetic fields can be used to study not only the transport properties of Fermi arcs, but also the interference of their quantum mechanical wavefunctions.

研究の動機と目的

• ワイル半金属における輸送に寄与する表面状態の寄与を検出および特徴づけること。通常、バルク状態に埋もれてしまうため。
• 高磁場下におけるワイル半金属のフェルミ弧表面状態の量子力学的コherー二ティを調べること。
• 磁気抵抗応答における干渉効果を通じて、トポロジカルに保護された表面状態の輸送的シグネーチャーを確立すること。
• 高磁場がフェルミ弧の輸送および量子干渉特性にアクセス可能であることを示すこと。

提案手法

• バルク寄与を最小限に抑えるために、高品質な単結晶TaAs試料を用いた。
• 低温および高磁場下でシュビニコフ＝デ・ハース振動を測定し、量子振動周波数を抽出した。
• 観測された振動周波数を分析して、表面状態フェルミ弧に一致する二次元のサイクロトロン軌道を同定した。
• (001)面における二つの異なるフェルミ弧を通過する準粒子間の干渉を、観測された量子振動の起源としてモデル化した。
• 理論的モデリングにより、測定されたサイクロトロン質量および有効面積がフェルミ弧干渉の予測と定量的に一致することを確認した。
• 振動振幅の磁場依存性を用いて、位相コherー二ティおよび干渉条件を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場下での輸送測定によって、ワイル半金属におけるトポロジカルに保護された表面状態の存在を明らかにできるか？
• RQ2 TaAsにおける観測された二次元量子振動の起源は何か。バルク寄与とはどのように異なるか？
• RQ3 磁気抵抗を用いて、異なるフェルミ弧を通過する準粒子間の量子干渉を検出できるか？
• RQ4 高磁場下において、表面状態波動関数のコherー二ティはどの程度保持されるか？

主な発見

• シュビニコフ＝デ・ハース効果において、表面状態のフェルミ面積に一致する周波数の二次元サイクロトロン軌道が観測された。
• 測定されたサイクロトロン質量および有効質量は、 (001)面における二つの異なるフェルミ弧を通過する準粒子間の干渉と定量的に一致した。
• 観測された量子振動周波数および磁場依存性から、トポロジカルに保護されたフェルミ弧状態に沿った準粒子のコherentな伝搬が示された。
• 干渉パターンは高磁場下でも安定しており、表面状態波動関数の長い位相コherー二ティを示している。
• 本結果は、ワイル半金属において以前に観測されていなかったフェルミ弧干渉計測の直接的輸送的証拠を提供した。